Sperrwandler

• Die Werte aller Eingabefelder können verändert werden.
• Wenn Sie ein Eingabefeld leer lassen, wird ein Standardwert eingesetzt. Dieser wird nach Verlassen des jeweiligen Feldes angezeigt.
• Das Schaltnetzteil arbeitet in einem bestimmten Eingangsspannungsbereich, den Sie mit U_{e_min} und U_{e_max} festlegen.
  Hinweis:
  • Im europäischen Netz 230V +/-10% und Brückengleichrichtung mit nachfolgender Siebung (Brumm ca. 10%) liegt der Eingangsspannungsbereich bei U_{e_min}= 250V bis U_{e_max}= 360V.
  • Für Weitbereichsnetzteile im Netzspannungsbereich von 100Vac-10% (Japan) bis 240Vac+6% (Groß Britannien) liegt der Eingangspannungsbereich bei U_{e_min}= 110V bis U_{e_max}= 360V.
  • Bei Einsatz einer Power Factor Vorregelung liegt der Eingangsspannungsbereich bei U_{e_min}= 360V bis U_{e_max}= 400V.
  
  
• Das Programm benötigt die Daten für die Ausgangsspannung U_a und den Ausgangsstrom I_a.
• Die Schaltfrequenz   f   ist die Frequenz, mit der der Transistor angesteuert wird.
• Wenn das Kästchen "Vorschlag" vor dem Eingabefeld für die Primärinduktivität L₁ aktiviert ist, wird Ihnen ein Wert für L₁ vorgeschlagen. Dieser ist so ausgelegt, daß sich bei mittlerem U_e = (U_{e_max}+U_{e_min})/2 die Grenze zwischen lückendem und nicht lückendem Betrieb ergibt.
• Wenn das Kästchen "Vorschlag" vor dem Eingabefeld "N₁/N₂" aktiviert ist, wird Ihnen ein Wicklungsverhältnis N₁/N₂ vorgeschlagen. Dieses ist so ausgelegt, daß bei mittlerer Eingangsspannung N₁/N₂= U_e/U_a ist. Daraus folgt unmittelbar, daß bei mittlerer Eingangsspannung die Spannungsbelastung des Transistors U_ds= 2U_e ist.
• Sollten Sie mit unseren Vorschlägen nicht zufrieden sein, so können Sie selbst ein N1/N2 oder ein L₁ wählen. Das jeweilige Kontrollkästchen "Vorschlag" deaktiviert sich dann selbständig.
• Das Eingabefeld U_e legt fest, für welche Eingangsspannung die Diagramme auf der rechten Seite angezeigt werden sollen. U_e muß zwischen U_{e_min} und U_{e_max} liegen.

Der Transistor arbeitet als Schalter, der mittels einer pulsweitenmodulierten Steuerspannung ein- und ausgeschaltet wird.
Während der Leitendphase des Transistors ist die Primärspannung U₁ gleich der Eingangsspannung U_e und der Strom I₁ steigt linear an.
Während dieser Phase wird Energie in den sogenannten Speichertransformator geladen.
Die Sekundärwicklung ist in dieser Phase stromlos, weil die Diode sperrt.
Wird der Transistor nun gesperrt, so wird I₁ unterbrochen und die Spannungen am Transformator polen sich wegen des Induktionsgesetzes um.
Die Diode wird nun leitend und die Sekundärwicklung gibt die Energie an den Ausgangs-Kondensator weiter.

Während der Leitendphase des Transistors ist die Drain-Source-Spannung U_ds gleich Null.
Während der Sperrphase wird die Ausgangsspannung auf die Primärseite rücktransformiert, sodaß dann die Drain-Source-Spannung theoretisch den Wert U_ds = U_e+U_a ·N₁/N₂ annimmt.
Beim Betrieb am 230V/50Hz-Netz entstehen so bei üblicher Dimensionierung des Sperrwandlers am Transistor ca. 700V. In der Praxis liegt diese Spannung sogar noch höher, weil eine Induktionsspannung infolge der Transformatorstreuinduktivitäten dazukommt. Der Transistor in Sperrwandlern für das 230V-Netz muß daher mindestens eine Sperrspannung von 800V haben.

Der Transformator ist kein "normaler" Transformator. Vielmehr hat er die Aufgabe Energie während der Leitendphase des Transistors zu speichern und diese während der Sperrphase an die Sekundärseite abzugeben. Der Transformator ist demnach eine Speicherdrossel mit Primär- und Sekundärwicklung. Er hat deswegen einen Luftspalt. Transformatoren für Sperrwandler heißen daher Speichertransformator.
Damit die mit dem Primärstrom eingespeicherte Energie beim Ausschalten des Transistors sekundärseitig wieder abgegeben werden kann, müssen beide Wicklungen sehr gut magnetisch gekoppelt sein.

kontinuierlicher Betrieb

diskontinuierlicher Betrieb

Abbildung 2: Betriebsarten des Sperrwandlers

• Je größer N₂ gewählt wird, desto kleiner wird die Spannungsbelastung U_ds am Transistor.
• Bei gerade nicht lückendem Betrieb bei U_e = U_{e_min} erhält man die kleinste Trafogröße. Allerdings arbeitet der Sperrwandler in diesem Fall bei allen anderen Eingangsspannungen im lückenden Betrieb. Die Schaltverluste in den Halbleitern werden dadurch recht groß.
• Die höchste Spannung U_ds entsteht bei U_e = U_{e_max}.

Mathematische Grundlagen

• L₁ = U_em² /(8 ·(U_a+U_F) · I_a ·f) und
• N₁/N₂ = U_em /(U_a+U_F)
  mit U_F = 0,7V (Dioden-Durchflußspannung) und U_em = (U_{e_max}+U_{e_min})/2 (mittlere Eingangsspannung)
  
  

1. Für ΔI_L1<2I'_L1 liegt der kontinuierliche Betrieb vor und es gilt:
   t₁ = (1/f) ·(U_a+U_F) ·(N₁/N₂)/((U_a+U_F) ·(N₁/N₂)+U_e),
   ΔI_L1 = 1/L₁ ·U_e ·t₁
   I_1max=I_L1 + 1/2 ΔI_L1
   I_2max = I_1max ·N₁/N₂
   
   
   
2. Für ΔI_L1> 2I'_L1 liegt der diskontinuierliche Betrieb vor und es gilt:
   t₁ = sqrt(2I_a ·L₁ ·(U_a+U_F)/(f ·U_e²) ,
   t₂ = t₁ ·((U_a+U_F) ·N₁/N₂+U_e)/((U_a+U_F) ·N₁/N₂) und
   I_1max = 1/L₁ ·U_e ·t₁
   I_2max = I_1max ·N₁/N₂