Transformatoren für Schaltnetzteile

Transformatoren + Apparatebau
Reiner Hogenkamp GmbH
Transformatoren für Schaltnetzteile:
Schaltnetzteile (Switch Mode Power Supply SMP) werden heute immer häufiger
eingesetzt. Die dafür benötigten Wickelteile unterscheiden sich zu denen in
konventionellen Netzteilen erheblich. Die induktiven Bauteile werden für eine
wesentlich höhere Frequenz (25 bis 300 kHz) ausgelegt. Außerdem werden je nach
Funktionsprinzip außer dem Transformator mehrere Wickelteile, wie z.B. Entstördrosseln, Powerfaktordrossel und Speicherdrossel, benötigt.
Prinzipschaltbild eines Schaltnetzteiles mit den induktiven Bauteilen
Alle Schaltnetzteile haben grundsätzlich das gleiche Wirkungsprinzip: Die aus dem
Netz kommende Spannung wird gleichgerichtet, oder es steht bereits eine
Gleichspannung zur Verfügung. Diese Spannung wird mittels eines Halbleiterschalters, der von einer elektronischen Schaltung angesteuert wird, mit einer
entsprechend hohen Frequenz zerhackt. Die dadurch entstehenden Impulse werden
über eine Drossel oder einen Transformator auf die gewünschte Ausgangsspannung
übersetzt und anschließend über einen Gleichrichter, einer Speicherdrossel und
einem Ladekondensator als Gleichspannung ausgegeben. Bei Speisung aus dem
Netz muss nach EN61000-3-2 ab einer entnommenen Leistung von 75W noch ein
Powerfaktor-Drosselwandler vorgeschaltet werden, damit der aus dem Netz
entnommene Strom sinusförmig bleibt (cos φ ≈ 1). Die Steuerelektronik kann nun so
ausgelegt werden, dass die Ausgangsspannung über das Tastverhältnis geregelt
wird. Dabei ist die Spannung dann lastunabhängig und das Netzteil kurzschlussfest.
Es gibt verschiedene voneinander abweichende Schaltungsformen von Schalnetzteilen. Grundsätzlich unterscheidet man zwischen Sperr-, Durchfluss- und Resonanzwandlern. Sperrwandler sind in der Regel alle Drosselwandler und Wandler mit
einem Transformator, bei denen die einzelnen Wicklungen als Speicherdrosseln
anzusehen sind. Daher ist das Übersetzungsverhältnis bei einem Sperrwandlertransformator auch nicht gleich dem Spannungsübersetzungsverhältnis. In der
Leitphase des Schalttransistors wird über die Primärwicklung der Kern aufmagnetisiert. In der Sperrphase des Schalttransistors wird die magnetische Energie des
Kernes über die Sekundärwicklung an den Ausgang abgegeben, bei dem
Drosselwandler über die gleiche Wicklung. Bei den Flusswandlern wird, wie der
Name schon sagt, in der Flussphase des Schalttransistors direkt die
Eingangsspannung im Verhältnis der Windungszahlen übertragen und an den
Ausgang abgegeben.
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Fax: 04298-3268
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Stand: 09/04
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Der Resonanzwandler ist ein Sonderfall des Flusswandlers. Er benutzt einen
Schwingkreis und regelt die Ausgangsspannung nicht über das Tastverhältnis,
sondern über eine Änderung der Frequenz. Der Vorteil ist, dass sich die Schalttransistoren im Stromnulldurchgang schalten lassen.
Die gebräuchlichsten Schaltungsarten werden im Weiteren mit ihren Vor- und
Nachteilen beschrieben. Je nach Anwendungsfall kann man jetzt die günstigste
Schaltungsart heraussuchen. Grundsätzliche Kriterien sind z.B. die Leistung,
galvanische Trennung, Entstörung, Aufwand, Preis, und Größe.
Übersicht der Schaltungsarten:
Abwärtswandler
Vorteile:


Kurzschluss- und Leerlauffestigkeit
leicht realisierbar.
Geringer Schaltungsaufwand.
Nachteile:


Keine galvanische Trennung.
Ansteuerung muss floaten.
Einsatz:
Überall dort, wo durch Längsregler
zu große Verluste entstehen.
Aufwärtswandler
Vorteile:

Geringer Aufwand, um hohe
Spannungen zu erzeugen.

Ansteuerung liegt auf Masse.
Nachteile:

Keine galvanische Trennung.
Einsatz:
Batteriegeräte, wie z.B. Fotoblitz,
Mobiltelefon.
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Invertierender Wandler
Vorteile:


Kurzschluss- und Leerlauffestigkeit
leicht realisierbar.
Geringer Schaltungsaufwand.
Nachteile:



Keine galvanische Trennung.
Ansteuerung muss floaten.
im ungeregelten Betrieb nicht
leerlauffest.
Einsatz:
Überall dort, wo eine nicht galvanisch
getrennte inverse Spannung benötigt
wird.
Sperrwandler
Vorteile:




Geringer Aufwand.
Mehrere geregelte
Ausgangsspannungen.
Leistungen bis ca. 300W.
Großer Regelbereich (für
Weitbereichsnetzteile ohne
Spannungsumschaltung).
Nachteile:



Uds des Transistors ≥ 2 • Ue.
Gute magnetische Kopplung.
Großer Kern mit Luftspalt nötig.
Eintakt- Durchflusswandler
Vorteile:


Galvanisch getrennte und geregelte
Ausgangsspannung.
Leistungen bis ca. 300W.
Nachteile:




Uds des Transistors ≥ 2 • Ue.
Gute magnetische Kopplung.
Entmagnetisierungswicklung.
Speicherdrossel notwendig.
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Halbbrücken- Durchflusswandler
Vorteile:



Eine galvanisch getrennte und geregelte
Ausgangsspannung.
Leistungen bis in den kW- Bereich
Uds des Transistors = Ue
Nachteile:


Gute magnetische Kopplung.
Aufwendige Ansteuerung der
Schalttransistoren, Treibertransformator nötig.
Halbbrücken- Gegentaktwandler
Vorteile:





Eine galvanisch getrennte und geregelte
Ausgangsspannung
Leistungen bis in den kW- Bereich
Uds des Transistors = Ue
Keine besonders gute magnetische
Kopplung notwendig
selbstsymmetrierend.
Nachteile:

Aufwendige Ansteuerung der Schalttransistoren, Treibertransformator nötig.
Vollbrücken- Gegentaktwandler
Vorteile:




Eine galvanisch getrennte und geregelte
Ausgangsspannung
Leistungen bis viele kW
Uds des Transistors = Ue
Keine besonders gute magnetische
Kopplung notwendig.
Nachteile:



Aufwendige Ansteuerung der Schalttransistoren.
Treibertransformator nötig.
Schaltzeiten müssen symmetrisch sein.
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Gegentaktwandler mit Paralleleinspeisung
Vorteile:




Eine galvanisch getrennte und geregelte
Ausgangsspannung
Leistungen bis einige 100W
Uds des Transistors = 2 • Ue.
Einfache Ansteuerung, Transistoren
liegen auf Masse.
Nachteile:


keine besonders gute magnetische
Kopplung notwendig.
Schaltzeiten müssen symmetrisch sein.
Gegentakt- Resonanzwandler
Vorteile:




Eine galvanisch getrennte und geregelte
Ausgangsspannung.
Leistungen bis viele kW.
Uds des Transistors = Ue.
Keine besonders gute magnetische
Kopplung notwendig.
Nachteile:


Aufwendige Ansteuerung der Schalttransistoren, Treibertransformator nötig.
Im Teillastbereich kann die Frequenz in
den Hörbereich gelangen.
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