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informatik artikel (Interpretation und charakterisierung)

Durchflußwandler


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Die Bezeichnung Durchflußwandler erklärt sich aus dem Übertragungsverhalten der Anordnung, bei der während der Durchlaßphase des Halbleiterschalters ein Energieflua zwischen Primärkreis und Sekundärkreis zustande kommt. Dem Laststrom überlagert sich primärseitig der Magnetisierungsstrom. Deshalb müssen Voraussetzungen getroffen werden, daa sich der Übertrager wieder entmagnetisieren kann.








Bild 3.1 Eintakt-Durchflußwandler

Dies geschieht bei Eintakt-Durchflußwandlern während der Sperrphase des Halbleiterschalters. Dabei wird sekundärseitig der Laststrom mit Hilfe einer Freilaufdiode ausgekoppelt und primärseitig ein Entmagnetisierungsnetzwerk derart gestaltet, daa sich die Polarität der Spannung an den Wicklungen umkehren kann.








Bild 3.2 Gegentakt-Durchflußwandler

Bei Gegentakt- oder Brückenschaltungen folgt der Durchlaßphase eines Halbleiterschalters, nach kurzer Sperrphase beider Halbleiterschalter die Durchlaßphase des zweiten Halbleiterschalters. Die Entmagnetisierung des Übertragers kann so bei symmetrischer Anordnung sichergestellt werden.
Der Übertrager eines Durchflußwandlers kann ausgangsseitig nicht direkt auf einen Kondensator arbeiten, weil hier im Idealfall beliebig hohe Ströme auftreten könnten und eine Steuerung durch Pulsweitenmodulation (PWM) wirkungslos bliebe. Deshalb mua eine Glättungsdrossel vorgesehen werden, die einerseits den Stromanstieg begrenzt und andererseits durch ihr Integralverhalten die eingangsseitig auftretenden Spannungszeitflächen aufsummiert.


3.1 Funktionsweise

Die Funktionsweise eines Durchflußwandlers soll anhand eines Eintakt-Durchflußwandlers beschrieben werden.


























Bild 3.3 Schaltbild eines Eintakt-Durchflußwandlers;

Übertragungsverhalten im stationären Betrieb

Dieser Wandler besteht aus einem eingangsseitigen Glättungskondensator CE, der die Funktion hat, die gleichgerichtete Netzspannung zu glätten, die vom Wandler beanspruchten pulsartigen Ströme induktivitätsarm zu liefern und den zurückgespeisten Magnetisierungsstrom des Übertragers aufzunehmen. Der Übertrager des Durchflußwandlers besitzt einen Ferritkern ohne Luftspalt, um eine hohe magnetische Kopplung der Wicklungen zu erreichen. Auf dem Ferritkern sind in der Grundausführung drei Wicklungen angebracht.
Die Primärwicklung wird durch einen Transistor an die Eingangsspannung geschaltet. Bei leitendem Transistor entsteht an der Sekundärwicklung eine entsprechend dem Übersetzungsverhältnis induzierte Rechteckspannung, wodurch ein Stromflua in der Sekundärwicklung über die Glättungsdrossel LA zustande kommt (vgl. Bild 3.3 b und c; Zeitabschnitt Tein). Der Strom in der Sekundärwicklung induziert entsprechend dem Übersetzungsverhältnis einen Strom in der Primärwicklung. Zusätzlich zu diesem Laststrom überlagert sich in der Primärwicklung der sogenannte Magnetisierungsstrom.
Der Magnetisierungsstrom mua während der Sperrphase des Transistors wieder abgebaut werden. Dazu dient als dritte Übertragerwicklung die Entmagnetisierungswicklung. Sie besitzt die gleiche Windungszahl wie die Primärwicklung, weist aber einen geringeren Leiterquerschnitt auf, da nur der Magnetisierungsstrom in der Sperrphase des Transistors über diese Wicklung fließt. Die Entmagnetisierungswicklung ist gegenüber der Primär- und Sekundärwicklung gegensinnig gepolt, was im Schaltbild durch Punkte an den Wicklungsanfängen gekennzeichnet ist. Über die Diode D3 ist die Entmagnetisierungswicklung direkt mit der Eingangsspannung verbunden. Während der Leitphase des Transistors wird in der Entamgnetisierungswicklung dieselbe Spannung wie in der Primärwicklung induziert, weshalb an der Diode D3 in Sperrichtung die doppelte Eingangsspannung ansteht.
Während der Sperrphase des Transistors mua die infolge des Magnetisierungsstroms in den Übertragerkern eingespeicherte Energie wieder herausgeführt werden, damit der Magnetisierungsstrom nicht beliebig hoch anwächst und der Ferritkern nicht in die magnetische Sättigung gelangt. Deshalb ist im Sekundärkreis die Freilaufdiode D2 vorgesehen, über die der Strom durch die Glättungsdrossel LA weiterfließt, wenn die Spannung an der Sekundärwicklung Null bzw. negativ wird. Die Diode D1 koppelt in dieser Betriebsphase den sekundärseitigen Stromkreis vom Übertrager ab. Dadurch kann sich die Polarität an den Wicklungen umkehren.
Der Magnetisierungsstrom fließt nun über die Diode D3 und die Entmagnetisierungswicklung in den eingangsseitigen Glättungskondensator zurück. Dabei steht nun am Transistor die doppelte Eingangsspannung als Sperrspannung an. Die Entmagnetisierung des Übertragers ist sichergestellt, wenn die Spannungszeitfläche, also die Fläche, die die Spannung an der Primärwicklung über der Zeitachse einschließt, beim Entmagnetisieren mindestens gleich derjenigen in der Einschaltdauer ist. Aus diesem Grund darf beispielsweise die maximale Einschaltdauer beim Eintakt-Durchflußwandler nicht mehr als 50% der Periodendauer betragen.
Die Glättungsdrossel LA dient dazu, aus dem trapez- bzw. rechteckförmigem Strom- bzw. Spannungssignal, das während der Einschaltdauer Tein an der Sekundärwicklung des Übertragers auftritt, einen stetigen Energieflua zu erzeugen und den Stromanstieg im Übertrager zu begrenzen.
Wählt man eine relativ kleine Induktivität der Glättungsdrossel, bekommen die Ströme eine stärker ausgeprägte Dreieckform mit der Folge einer höheren Stromamplitude und vermehrtem Glättungsaufwand. Bei einer großen Induktivität wird die Ausregelzeit bei Lastsprüngen länger und die Bauform der Glättungsdrossel größer. Als guter Richtwert dient die Angabe, daa die Stromwelligkeit in der Glättungsdrossel etwa 10% des Nennstroms betragen soll.
Der Glättungskondensator CA am Ausgang glättet die Stromwelligkeit der Drossel und dient als Energiespeicher bei Laständerungen. Bei einem angenommenen 100%-Lastsprung von Vollast in den Leerlauf mua der Glättungskondensator mindestens die gesamte magnetische Energie der Glättungsdrossel aufnehmen, ohne daa die Ausgangsspannung einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet.

Das Übertragungsverhalten des Durchflußwandlers wird durch folgende Formel wiedergegeben:




n1: Windungszahl der Primärwicklung
n2: Windungszahl der Sekundärwicklung

 
 




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