Schaltnetzteile
Das Interesse an
Energiemanagement wächst. Die Klima- und
Umweltdiskussion fordert neue Lösungen
und Möglichkeiten.
Im 19. Jahrhundert kam die elektrische Revolution
durch Tesla,
Siemens usw. durch Generation, Übertragung und Verfügbarkeit von
elektrischer Energie.
Im 20. Jahrhundert kam die kommunikative
Revolution durch Bell,
Zuse usw. durch
Telekommunikation und Computer.
Im 21 Jahrhundert kommt die umwelt- und klimaorientierte
Revolution
durch Energiemanagement und die Verbesserung
aller elektrischen
und kommunikativen
Prozesse.
Eine Stromversorgung mit 20-40 % Wirkungsgrad
können wir uns
nicht mehr leisten! Auch der Standby-Bertrieb vieler
Geräte ist
grenzwertig! usw.
Wir
benötigen:
- Wirtschaftliche
und effiziente Energiesysteme
- Verlustarme
Energieanpassung und Konvertierung
- schnell verfügbare Energie, aber nur bei Bedarf
- Energiespeicher-
und Übertragungssysteme auch bidirektional
- Versorgungsnetze
48, 110, 230, 400VAC
16 ⅔ / 50 / 60 / 400 Hz
- Generatoren
- Batterien
- Solarzellen
- Windkraftanlagen
- Brennstoffzellen
- und weitere Energieträger....
Daraus werden Energieversorgungen
für unterschiedliche Applikationen generiert:
- DC Lampen,
Elektronik, Controllerschaltungen, Motorregelungen,
Ladegeräte
- AC USV,
Umrichter, Netzwandler
- bidirektional -
laden <=> verbrauchen/generieren
SNT-Netzteile
und Topologien
AC-DC
oder DC-DC Netzteile bez. Konverter sind elektrische Geräte, die elektrische
Spannungen in andere Spannungen wandeln. Da
sich Gleichspannungen nicht direkt transformieren lassen, wird zunächst je nach
Topologie die Eingangsspannung in eine Sinusähnliche-, Trapez-, oder
Recheckspannung umgeformt. Der sich ergebende Spannungsverlauf wird entweder in
einem elektrischen Feld zwischengespeichert oder durch einen magnetischen Fluss
übertragen. Am Ausgang erfolgt die Glättung (Tiefpass) des transformierten
Spannungsverlaufs. Primärseitig existiert bei allen Topologien eine große Kapazität, zur Entkoppelung der
vorgeschalteten Netzwerke. Dies kann mit oder ohne Potenzialtrennung
erfolgen. Manche Topologien eignen sich zum Abwärts wandeln, die anderen zum
Aufwärts wandeln. Wieder andere können beides, oder von beiden Seiten betrieben
werden. Eine Sinusspannung kann in eine Gleichspannung gewandelt werden, in
einem Energiespeicher gepuffert und dann wieder in eine Sinusspannung
geformt werden – Beispiel USV.
Zu
Bedenken ist, dass der Energiespeicher nicht unbedingt eine Batterie
oder Kapazität sein muss - Hier kommen noch viele andere
Energieformen in betracht - Brennstoffzelle, Graphitation,
Wärme.....
Grundsätzlich gilt: je höher die Taktfrequenz -innerhalb physikalischer Grenzen-, desto kleiner
die Bauteile und anspruchsvoller das Design!
Der energetische Zusammenhang:
PIn = POut + PVerlust
Hierbei muss PVerlust
so minimal wie möglich
realisiert werden, denn
Wärme
und elektromagnetische Emission ist Energieverlust !
Vorteile von
Schaltnetzteilen
- Höherer
Wirkungsgrad bis 96%
- Geringeres
Gewicht und Volumen
- Kleiner
Transformator
- Großer
Eingangsspannungsbereich
- Großer
Ausgangsspannungsbereich
- Gute
Regeldynamik, flexible
Spannungs-/Stromversorgung
- Mehrere
galvanisch getrennte Ausgangsspannungen
- Flexible
Start-Up Routinen
- Die
direkt geregelte Ausgangsspannung ≤ 1%
- Mehrere
vorstabilisiert Ausgangsspannungen, nur eine
direkt geregelt
- Kurzschlussfestigkeit
- Normalerweise
keine hörbaren Schwingungen bei f > 20
kHz
- Individuelle
Anpassung an Applikation
- Automatisches
und parametrierbares Fehlerhandling
- Implementierung
von Steuerungs-, Regelungs-, Energiemanagement- und Schutzfunktionen
- Programmier-
fernsteuerbares Powermanagement
- Kommunikationsmöglichkeiten,
Busankopplung, I²C, SPI...
- Akzeptables
Preis-/Leistungsverhältnis
- PFC-Implementierung
zusätzlich
Nachteile von Schaltnetzteilen
-
Zum
Teil kompliziertes Schaltungsdesign
- Know
How erforderlich
- Die Komponenten müssen richtig berechnet werden
- Umfangreiche Messtechnik
erforderlich
- Aufwand beim
Glätten der Ausgangsspannungen
- Aufwand durch
EMV - Layout, Platine, Bauteile, Gehäuse
-
Auch muss beachtet werden, dass Schaltregler mit extremen
Futures und Zusatzfunktionen eine Entwicklung erschweren, einengen und sogar
unmöglich werden lassen.
- Manchmal sind Schaltregler auch nicht in letzter Konsequenz
durchdacht.
Wer stellt die Regler her - Powermanagement -
ohne Qualitätsbeurteilung:
Diese Liste wird nicht konsequent bei jeder Firmenverschiebung
überarbeitet und dient lediglich als Quellenorientierung für
Datenblätter!
active-semiconductor
AC/DC, DC/DC
http://www.active-semi.com
austriamicrosystems DC/DC
http://www.austriamicrosystems.at
elmos
DC/DC
http://www.elmos.de
exar, ex Sipex
DC/DC
http://www.exar.com
fairchild Semiconductor DC/DC, PFC
http://www.fairchildsemi.com
freescale, ex Motorola DC/DC
http://www.freescale.com
Infinieon
AC/DC, DC/DC, PFC
http://www.infineon.com
International Rectifire
AC/DC, DC/DC, PFC
http://www.irf.com
Intersil
DC/DC
http://www.intersil.com
Linear Technology LTC
DC/DC
http://www.linear.com
Maxim
DC/DC
http://www.maxim-ic.com
MicroChip
DC/DC
http://www.microchip.com
microsemi
DC/DC
http://www.microsemi.com
national
DC/DC
http://www.national.com
NJR
DC/DC
http://www.njr.com
VXP ex Phillips,Valvo DC/DC, PFC
http://www.nxp.com
ON Semiconductor
AC/DC, DC/DC, PFC
http://www.onsemi.com
Power Integration
AC/DC,
DC/DC
http://www.powerint.com
Ricoh
DC/DC
http://www.ricoh.com
ST Microelectronics
AC/DC, DC/DC, PFC
http://www.st.com
Summit
DC/DC
http://www.summitmicro.com
Texas Instruments, Unitrode DC/DC, PFC
http://www.ti.com
TOREX
DC/DC
http://www.torex-usa.com
Unitrode, TI
DC/DC
http://www.unitrode.com
Eine gute Übersicht über die Halbleiterhersteller bietet die Seite:
http://www.aufzu.de/semi/
Auch
ist zu bedenken, dass Schaltnetzteile mit ASIC’s, FPGA’s
und Controllern/DSP’s, sowie mit Taktgebern, wie z.B. dem alten NE555
oder auch mit Schwingkreisen realisiert werden können....
Arbeitsplatz für
SNT (SNTS) bei Attempo
im Rahmen der Entwicklungsunterstützung
- Optimierung bestehender Schaltnetzteile
- Berechnung der Bauteile
- Fertigung und sofortiger Test der Magnetics und des gesamten Designs/Aufbaus
- Grenzwertbelastungen
- EMV-Tests
- Bei Bedarf Klima- bzw. Temperaturtests sofort möglich
Das ist schnell und effektiv!
Bestehend aus:
- Gutes
Werkzeug
- Gute
Kabelverbindungen
- Lötkolben mit
passenden Spitzen
- ausreichende
Anzahl Multimeter
- Technische Unterlagen
- Taschenrechne, Notizblock
- gutes
Licht!
- variable Last im
Leistungsbereich
- Regel-Trenntrafo
- stabilisiertes
Netzteil DC(Stromqelle)
- Oscilloscope
potentialgetrennt
- Netznachbildung
- Funktionsgenerator
- Computer zur
Dokumentation, Simulation
und Berechnung
- Feldsonden
elektrisch,
magnetisch
- Stromzange
mit Integrator
- Spektrum- und
Netzwerkanalyzer
Der
grundsätzliche Unterschied der Schaltnetzteile zu
kontinuierlich geregelten Netzteilen ist, dass der kontinuierlich
geregelte
Transistor durch einen Schalter ersetzt wird. Die Mittelwertbildung der
Ausgangsspannung wird durch einen Tiefpass gebildet. Die Höhe der
Ausgangsspannung wird durch das Tastverhältnis bestimmt. Die Position des Schalters
erlaubt die Differenzierung zwischen Primär und Sekundär getakteten
Schaltnetzteilen
Buck-Converter
Vin >
Vout Abwärtswandler
Boost-Converter
Vin
< Vout Aufwärtswandler
Buck-Boost-Converter
Vin
< = > Vout Auf-/Abwärtswandler
Inverter
Vout
< 0V
Invertierender
Wandler
Carge Pump
Ladungspumpenprinzip
Die Ladungspumpe ist eine andere Technologie (ohne induktive
Komponente) und wird hier nur zur Vervollständigung der Prinzipien
erwähnt.
Ohne Kaskadierung ist max. ein Verdopplung oder Invertierung der
Ausgangsspannung mit kleinen Leistungen möglich. Der Wirkungsgrad
liegt bei za. 80%. Die Schaltfrequenz ist durch die Grenzfrequenz der
Kapazitäten terminiert. Ladungspumpen werden in
IC's wie bei High Side Gate-Treibern oder bei Schnittstellentreibern
eingesetzt. Es gibt noch weitere Interpretationen von
Ladungspumpen.
Durch Erweiterung und
Beschaltung werden die anderen Interpretationen möglich:
SEPIC Buck-Boost-Converter Auf-/Abwärtswandler
Spannungswandler
mit Vout <
> 0V kapazitiv
entkoppelt
Ladungspumpe
Fly-Back
Converter
Sperrwandler
Single Transistor Forward
converter Durchflusswandler
Push-Pull-Converter
Gegentaktwandler
mit Zweiwegegleichrichtung
Two Transistor forward Converter Asymmetrischer
Halbbrücken
Durchflusswandler
Single-ended push-pull-Converter Symmetrischer
Halbbrücken
Durchflusswandler
Full-bridge
push-pull Converter Vollbrücken
Durchflusswandler
PFC-Controller
Lighting Ballast Lampenschaltung
QRC
Quasi-Resonance Converter
MRC Multi-Resonance Converter
und weitere
06.09.2009
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Topologien der
SNT
Beispiele:
Ladungspumpe
Abwärtswandler
Aufwärtswandler
Auf-Abwärtswandler
Inverter
Interpretationen:
Ansteuerung
Realisierung
Mehrphasen Aufwärtswandler
FlayBack im Vergleich mit Aufwärtswandler
Durchflußwandler
weitere Interpretationen sind möglich
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