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Bild 4.1 Sperrwandler
Die Bezeichnung Sperrwandler erklärt sich daraus, daa während der Durchflußphase des Halbleiterschalters Energie im Übertrager gespeichert wird, die in der Sperrphase an die Sekundärseite abgegeben wird. Um möglichst viel Energie im Übertrager speichern zu können, verwendet man Übertragerkerne mit Luftspalt. Da zwischen Primär- und Sekundärkreis kein direkter Energieflua zustande kommt, sondern nur ein indirekter durch Zwischenspeicherung im Übertrager, kann bei diesem Wandlertyp sekundärseitig ohne Zwischenschaltung einer Drossel auf einen Kondensator gespeist werden. Dies ist sogar zwingend erforderlich, damit die Spannung an den Übertragerwicklungen nicht über alle Grenzen ansteigt.
4.1 Funktionsprinzip
Dieser Wandler besteht aus einem eingangsseitigen Glättungskondensator CE, der die Funktion hat, die gleichgerichtete Netzspannung zu glätten und die vom Wandler beanspruchten pulsartigen Ströme induktivitätsarm zu liefern. Im Gegensatz zum Eintakt-Durchflußwandler wird hier der Magnetisierungsstrom nicht auf den Eingangskondensator zurückgespeist sondern dem ausgangsseitigen Glättungskondensator CA zugeführt (vergleiche Bilder 4.2, 4.3).
Der Sperrwandlerübertrager besitzt in seiner Grundausführung zwei Wicklungen die gegensinnig gepolt sind (vgl. Punkte zur Kennzeichnung der Wicklungsanfänge). Bei eingeschaltetem Transistor T1 ist die Anoden-Kathoden-Spannung der Gleichrichterdiode D1 negativ, d.h. es fließt kein Strom in der Sekundärwicklung des Übertragers. In der Primärwicklung fließt der Magnetisierungsstrom und, da beim Sperrwandler ein Ferritkern mit Luftspalt verwendet wird, ein erheblich größerer induktiver Strom, der im Luftspalt ein Magnetfeld aufbaut. In der praktischen Anwendung wird nicht unterschieden zwischen einem Magnetisierungsstrom im Ferrit und im Luftspalt. Nach außen tritt ein induktiver Strom auf, wodurch bei eingeschaltetem Transistor magnetische Energie im Sperrwandlerübertrager (überwiegend im Luftspalt) gespeichert wird.
Bild 4.2 Schaltbild eines Sperrwandlers; Betrieb mit
trapezförmigem Stromverlauf
Beim Sperren des Transistors kehrt sich die Spannung an den Wicklungen um. Die Spannung an der Sekundärwicklung steigt, bis die Gleichrichterdiode D1 leitend wird, also auf den Wert der Ausgangsspannung UA. Da der magnetische Flua im Übertrager stetig verläuft, fließt im Zeitpunkt des Sperrens des Transistors in der Sekundärwicklung der entsprechend dem Übersetzungsverhältnis transformierte Strom der Primärwicklung. Deshalb mua die Gleichrichterdiode D1 direkt auf einen Kondensator CA speisen, der in der Lage ist, den hohen Strom aufzunehmen.
Bild 4.3 Schaltbild eines Sperrwandlers; Betrieb mit
dreieckförmigem Stromverlauf
Am Transistor tritt während der Ausschaltzeit als Sperrspannung die Eingangsspannung auf, zuzüglich die entsprechend dem Übersetzungsverhältnis transformierte Ausgangsspannung. Bei der Standarddimensionierung entspricht dies etwas mehr als der doppelten Eingangsspannung.
Man unterscheidet nun Sperrwandler mit trapezförmigem Stromverlauf im Übertrager und Sperrwandler mit dreieckförmigem Stromverlauf.
4.1.1 Übertragungsverhalten bei trapezförmigem Stromverlauf
Bei trapezförmigem Stromverlauf (Bild 4.2) wird der Transistor zu einem Zeitpunkt wieder eingeschaltet, bevor der Strom in der Sekundärwicklung 0 geworden ist. Wesentliches Merkmal dieser Betriebsweise ist, daa die auftretenden Stromscheitelwerte bezogen auf den Ausgangsstrom deutlich niedriger sind, als bei Betrieb mit dreieckförmigem Stromverlauf.
Der Betrieb mit trapezförmigem Stromverlauf ist in Bild 4.2 dargestellt.
n1: Windungszahl der Primärwicklung
n2: Windungszahl der Sekundärwicklung
Bild 4.4 Ausgangsspannung über Tastverhältnis
Aus dieser Darstellung ist ersichtlich, daa sich die Ausgangsspannung UA ändert, wenn das Tastverhältnis Tein/T verändert wird. Es besteht allerdings kein linearer Zusammenhang zwischen Ausgangsspannung und Tastverhältnis sondern ein hyperbolischer. Dies kommt durch den Faktor 1/(1-Tein/T) zum Ausdruck und bedeutet, daa die Ausgangsspannung unendlich groa wird, wenn das Tastverhältnis 1 erreicht. Deshalb dürfen Sperrwandler nicht ohne Lastwiderstand oder ohne geschlossene Regelschleife betrieben werden, da die Ausgangsspannung und damit auch die Sperrspannung des Transistors hohe Werte annehmen können.
4.1.2 Übertragungsverhalten bei dreieckförmigem Stromverlauf
Bei einem Sperrwandler mit dreieckförmigem Stromverlauf im Übertrager wird der Transistor erst wieder eingeschaltet, wenn der Strom in der Sekundärwicklung 0 geworden ist. Diese Betriebsweise hat den Vorteil, daa beim Einschalten des Transistors kein Strom auftritt (keine Einschaltverluste) und bei der Gleichrichterdiode D1 keine nennenswerten Rückströme entstehen.
Dieser Betrieb ist in Bild 4.3 dargestellt.
L1: Induktivität der Primärwicklung
Die Ausgangsspannung UA ändert sich bei konstantem Tastverhältnis abhängig von der Belastung (Bild 4.3 b und c). Die auftretenden Stromscheitelwerte im Verhältnis zum Ausgangsstrom sind bei diesem Wandlertyp am ungünstigsten (Bild 4.3 c).
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