LEP1 Schaltnetzteil 03/2009 1 Inform

Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg
Fakultät Technik und Informatik
Department Informations- und Elektrotechnik
Studiengruppe:
Eingegangen am:
Übungstag:
Labor für elektrische Antriebe
und Leistungselektronik
Protokollführer:
Weitere Teilnehmer:
Professor:
LEP1
Schaltnetzteil
03/2009
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Information
Gegenstand dieser Laborübung ist die messtechnische Untersuchung von verschiedenen Grundschaltungen von Schaltnetzteilen.
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Hoch-Tiefsetzsteller
Der invertierende Hoch-Tiefsetzsteller wird auch als Buck-Boost-Converter bezeichnet. In einer ersten Phase speichert er Energie in einer Induktivität. In einer zweiten
Phase, der Sperrphase des Halbleiterschalters, gibt er diese an den Lastkreis weiter.
Die Schaltung gehört damit zu der Gruppe von Sperrwandlern und ist für das Verständnis der SNT (Schaltnetzteil) mit Sperrwandlern wichtig. Die Abbildung 1a.) zeigt
das Prinzipschaltbild, typische Kurvenverläufe und die zugehörigen Formeln für trapezförmigen Strom.
In der Leitphase des Schalters liegt die Eingangsspannung U1 an der Induktivität L
an. Der Strom IL durch die Induktivität steigt an. Die Diode D wird in Sperrrichtung betrieben und blockt die Eingangsspannung vom Ausgangskondensator C0 ab. Am
Ausgang liegt eine negative Spannung an, da der Kondensator noch geladen war.
Bedingt durch die Entladung des Kondensators C0 über den Lastwiderstand R, sinkt
die Amplitude der Ausgangsspannung leicht.
In der Sperrphase des Halbleiterschalters wird zwar der Schalterstrom IS augenblicklich abgeschaltet, jedoch ist in der Induktivität magnetische Energie gespeichert, welche sich nun entspeichern will. Die Induktivität induziert eine negative Spannung und
über die Diode D wird ein Freilauf ermöglicht, so dass ein Strom zum Ausgangskondensator und Lastwiderstand fließen kann. Die dabei entstehende Ausgangsspannung ist gegenüber der Eingangsspannung invertiert.
Die Ausgangsspannung kann theoretisch zwischen null und minus unendlich eingestellt werden. Sperrwandler sind grundsätzlich nicht leerlauffest. Wird die Energie am
Lastkondensator nicht von einem Verbraucher abgenommen, so steigt die Ausgangsspannung gegen unendlich, was zur Zerstörung der Bauteile führt.
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Bild 1a.) Schaltplan Hoch-Tiefsetzsteller
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Messreihe: Hoch-Tiefsetzsteller
3.1 Nehmen Sie eine Hoch-Tiefsetzsteller-Schaltung bei einer Schaltfrequenz von
15 kHz und einer Zwischenkreisspannung von 15 V in Betrieb. Messen Sie in Abhängigkeit vom Tastverhältnis a die Mittelwerte von Ausgangsspannung U0 und Ausgangsstrom I0 und tragen Sie die Ergebnisse zusammen mit den theoretischen Werten graphisch auf. Diskutieren Sie die Ergebnisse.
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3.2 Oszillografieren Sie den zeitlichen Verlauf aller relevanten Größen (U0, I0, UL, IL, UT,
IT, UD, ID) der Schaltung bei einer Zwischenkreisspannung von U1 = 110 V (entspricht
einer Trafospannung von UN = 47 V) und einem Tastverhältnis von maximal a = 0,6.
Bei a > 0,6 und f < 15 kHz kann es zur Zerstörung der Bauteile kommen. Verwenden
Sie daher den Begrenzer für die Steuerspannung und verstellen Sie nicht die Frequenz. Erhöhen Sie zunächst langsam die Trafospannung, bei einer Steuerspannung
UStr. = 0 V, damit sich der Eingangskondensator C1 aufladen kann und erhöhen Sie
dann die Steuerspannung UStr. bis Sie das gewünschte Tastverhältnis erreicht haben.
Warnung:
Nach dem Einschalten arbeiten Sie mit berührungsgefährlicher Spannung!
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Leistungsfaktorkorrektur (PFC)
Gleichstromsteller werden häufig aus dem Wechselstromnetz über einen Brückengleichrichter gespeist. Der hinter dem Netzgleichrichter angeordnete Kondensator hat
eine große Kapazität und glättet die Eingangsspannung. Aber dieser Kondensator
verursacht Ladestromspitzen. Die Stromaufnahme ist nicht mehr sinusförmig sondern
impulsförmig. Das speisende Netz wird mit Stromoberschwingungen und einer phasenverschobenen Grundschwingung belastet. Solche "Netzverunreinigungen" können große Probleme bereiten und sind nicht erwünscht. Das EMV-Gesetz zwingt alle
Hersteller elektrischer Geräte, die in Normen genauer spezifizierten Grenzwerte u. a.
für leitungsgebundene Störungen einzuhalten. Eine Maßnahme dazu ist die Leistungsfaktorkorrektur (PFC = Power Factor Correction), die eine sinusförmige Stromaufnahme ohne Phasenverschiebung bewirkt.
Der Schaltplan zeigt, wie mit Hilfe einer nur minimal abgewandelten HochTiefsetzsteller-Schaltung eine sinusförmige Stromaufnahme bewirkt werden kann. Es
fällt auf, dass die Schaltung keinen Eingangskondensator und statt dessen einen
sehr viel größeren Ausgangskondensator besitzt.
Der restliche Unterschied wird lediglich durch geeignete Steuerung bewirkt. Hier wird
anstelle des Pulsweitenmodulators jetzt der Zweipunktregler eingesetzt, der als
Stromregler für den Drosselstrom fungiert. Der Sollwert für den Strom darf keine übliche „glatte“ Steuerspannung sein. Er muss einerseits die Kurvenform des Stromes
generieren, andererseits die Amplitude vorgeben. Die Kurvenform des Netzstromes
soll der Netzspannung entsprechen. Als Sollwert für den Drosselstrom wird daher die
gleichgerichtete, aber ungeglättete und mit dem Trennverstärker angepasste Netzspannung herangezogen. Diese wird jedoch vorher mit der Spannung des Führungsgrößengebers multipliziert, wodurch dann die Amplitude des Sollwertes und damit
des Drosselstromes eingestellt werden kann.
Das Ergebnis ist ein gepulster Netzstrom, dessen Grundschwingung sinusförmig und
in Phase mit der Netzspannung ist. Ein Netzfilter ist erforderlich, um die Oberschwingungen herauszufiltern und einen tatsächlich sinusförmigen Strom zu erzeugen.
Da nur die sinusförmige Stromaufnahme geregelt wird, ist der Ausgangsspannung
zwangsläufig eine Brummspannung überlagert, welche die doppelte Netzfrequenz
besitzt. Der möglichst große Ausgangskondensator hat die Aufgabe, diese Brummspannung zu minimieren.
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Bild 2.): Schaltplan Hoch-Tiefsetzsteller-Schaltung mit PFC
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Messreihe: Hoch-Tiefsetzsteller mit PFC
5.1 Nehmen Sie eine Hoch-Tiefsetzsteller-Schaltung mit Leistungsfaktorkorrektur und
Zweipunktstromregelung wie in Bild 2.) dargestellt, bei einer Hysterese des Zweipunktreglers von 1 V in Betrieb.
Als Eingangsbrückengleichrichter wird eine B2-Schaltung eingesetzt. Achten Sie auf
die richtige Polarität des Ausgangskondensators C0. und auf die richtige Kanaleinstellungen des Trennverstärkers (Anhang C.). Die Steuerspannung darf UStr. = 2 V
nicht überschreiten, benutzen Sie den Begrenzer. Die maximale Trafospannung beträgt UN = 45 V, so dass eine Zwischenkreisspannung von ca. U1 = 70 V ansteht. Erhöhen Sie erst langsam die Trafospannung und dann die Steuerspannung von 0 V
auf 2 V. Schalten Sie die Kanaleinstellungen des Trennverstärkers nicht während
des laufenden Betriebs um, da durch auftretenden Schaltspitzen die Bauteile zerstört
werden könnten. Oszillografieren und skizzieren Sie den zeitlichen Verlauf aller relevanten Größen. (UN, UIref, IN, IL, UContr, UO)
5.2 Wiederholen Sie die Messungen bei einer Hysterese des Strom-Zweipunktreglers
von 0,4 V. Oszillografieren und skizzieren Sie den zeitlichen Verlauf aller relevanten
Größen und erläutern Sie die Ergebnisse.
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Literaturhinweise:
- Laborskript Schaltnetzteil-Grundschaltungen
- Hirschmann, Hauenstein: „Schaltnetzteile“, Siemens AG 1990
- Ulrich Schlienz: „Schaltnetzteile und ihre Peripherie“, Vieweg Verlag, 2001
- Leybold-Unterlagen
Anhang:
A: Aufbauplan des Hoch-Tiefsetzstellers ohne PFC
B: Aufbauplan des Hoch-Tiefsetzstellers mit PFC
C: Tabelle mit Einstelldaten der Trennverstärkerkanäle
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Anhang A:
Schaltungsaufbau für Hoch-Tiefsetzsteller ohne PFC
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Anhang B:
Schaltungsaufbau für Hoch-Tiefsetzsteller mit PFC
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Seite: 6
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Anhang C:
Hinweise zur Kanaleinstellung des Trennverstärkers in Aufgabe 5.
Hinweise:
Die Hoch-TiefsetzsteIler-Schaltung entspricht
im Prinzip der des vorherigen Versuches.
Lediglich der Kondensator im Zwischenkreis
entfällt. Stattdessen ist der Ausgangskondensator auf 2000 μF vergrößert.
Kontrollieren Sie:
Prüfen Sie die Verdrahtung des Leistungsteiles,
insbesondere den Freilaufkreis und den Lastwiderstand
von 33.Ω
Beachten Sie die Polarität des ELKOs.
Der wesentliche Unterschied besteht in der
Verbinden Sie dazu die entsprechende Brücke auf dem
Steuerung. Anstelle des Pulsweitenmodulators Steuergerät.
wird jetzt der Zweipunktregler eingesetzt, der
als Stromregler fungiert. Beginnen Sie mit einer Hysterese anfänglich auf 1,0 V.
Hysterese von 1,0 V.
Die Führungsgröße für den Strom wird
gewonnen durch Multiplikation zweier Signale:
Kanal A:
Strom-Führungsgröße
Als Leitwert, welcher letztendlich den sinusförmigen Strom-Sollwert hervorruft, dient die
gleichgerichtete, aber ungeglättete Netzspannung.
Kanal B:
Abschwächer 1/1.
Gleichgerichtete Netzspannung mit
einem Spitzenwert von 110 V.
Zur Einstellung der Amplitude dient das
übliche Führungsgrößengebersignal.
Kanal C:
Dazu werden die Trennverstärker Kanäle A
und B als Eingangsverstärker mit galvanischer
Trennung eingesetzt und Kanal D als Multiplizierer. Diese Kanäle sind daher nicht mehr als
Messkanäle frei verfügbar.
Kanal D:
Geregelt wird der Drosselstrom. Dazu wird mit
Trennverstärker Kanal E der Strom gemessen
und über dessen Ausgang E dem invertierenden Eingang des Zweipunktreglers zugeführt.
Kanal E:
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Abschwächer 1/100.
Steht für beliebige Strom- und Spannungsmessungen zur
Verfügung.
Strom-SolIwert.
Math. Function: AxB, Filter ON.
Ausgang D an nicht invertieren- den
Eingang des Zweipunktreglers.
Istwert des Drosselstromes
Abschwächer 1V/A.
Ausgang E an invertierenden Eingang des Zweipunktreglers.
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