Suchen und Finden
Schaltnetzteile und ihre Peripherie - Dimensionierung, Einsatz, EMV
von: Ulrich Schlienz
Vieweg+Teubner (GWV), 2007
ISBN: 9783834892225 , 294 Seiten
3. Auflage
Format: PDF, OL
Kopierschutz: Wasserzeichen
Preis: 29,99 EUR
Vorwort zur dritten Auflage
6
Inhalt
7
1 Einführung
15
1.1 Vorbemerkung
15
1.2 Stromversorgungen
17
1.3 PFC Power-Factor-Corrector
18
1.3.1 Problemstellung
18
1.3.3 Geltende Norm
20
1.3.4 Lösung durch PFC
20
1.3.5 Betriebsarten zur Leistungsfaktorkorrektur
21
1.4 Die Ladungspumpe
23
1.4.1 Schaltungsbeispiele
23
1.4.2 Wirkungsgrad und Ausgangsleistung einer Ladungspumpe
24
1.5 Idealisierung
25
2 Der Abwärtswandler
27
2.1 Der Abwärtswandler mit nicht lückendem Strom
27
2.1.1 Berechnung der Ausgangsspannung
29
2.1.3 Die Grenze für den nicht lückenden Betrieb
30
2.1.4 Die Größe des Ausgangskondensators
31
2.1.5 Analytische erechnung des Effektivwertes
33
2.1.6 Numerische Bestimmung des Effektivwertes
34
2.2 Der Abwärtswandler mit lückendem Strom
36
2.2.1 Der Eingangsstrom
37
2.2.2 Der Ausgangsstrom
37
2.2.3 Die Ausgangsspannung
37
2.2.4 Grenze zum nicht lückenden Betrieb
38
2.2.5 Tastverhältnis in Abhängigkeit des Ausgangsstroms
39
2.3 Der Abwärtswandler mit Umschwingkondensator
40
2.3.1 Vorbemerkung
40
2.3.2 Schaltung beim Abwärtswandler
41
3 Der Aufwärtswandler
43
3.1 Der Aufwärtswandler mit nicht lückendem Strom
43
3.1.1 Berechnung der Ausgangsspannung
44
3.1.3 Berechnung des Ausgangsstromes
46
3.1.4 Berechnung der Induktivität L
46
3.1.5 Die Größe der Ausgangskapazität
47
3.1.6 Die Grenze des nicht lückenden Betriebs
47
3.2 Der Aufwärtswandler mit lückendem Strom
48
3.2.1 Die Stromverläufe
48
3.2.2 Berechnung der Ausgangsspannung
49
3.2.3 Normierung
49
3.2.4 Die Grenze zum nicht lückenden Betrieb
50
3.3 Bidirektionaler Energiefluss
52
4 Der Multi-Parallel-Wandler
55
4.1 Der Einfach-Synchronwandler
55
4.1.1 Das Schaltbild
55
4.1.2 Die Stromverläufe
56
4.1.3 Berechnung der Stromeffektivwerte
56
4.2 Der Zweifach-Synchronwandler
59
4.2.1 Das Schaltbild
59
4.2.2 Die Stromverläufe
59
4.2.3 Berechnung der Effektivwerte
60
4.2.4 Die Stromverläufe für vT < 0,5
62
4.3 Vierfach-Synchronwandler
63
4.3.1 Das Schaltbild
63
4.4 Gegenüberstellung der Ergebnisse
64
4.5 Synchronisation von Mehrfachwandlern
66
4.5.1 I-I-Messung
67
4.5.2 I-T-Control
67
4.5.3 PWM-gesteuert
69
4.6 Vergleich der Synchronisationsverfahren
71
5 Der Inverswandler
73
5.1 Der Inverswandler mit nicht lückendem Strom
73
5.1.1 Die Ausgangsspannung
75
5.1.2 Berechnung der Induktivität L
76
5.1.3 Die Grenze für den nicht lückenden Betrieb
77
5.2 Der Inverswandler mit lückendem Strom
78
6 Der Sperrwandler
81
6.1 Der Sperrwandler mit nicht lückendem Strom Ue
81
6.1.1 Die Ausgangsspannung
82
6.1.2 Berechnung der Induktivität L
83
6.2 Der Sperrwandler mit lückendem Strom
85
6.2.1 Berechnung der Ausgangskennlinien
86
6.3 Beispiel: Sperrwandler mit zwei Ausgangsspannungen
89
6.4 Dimensionierungsbeispiel
90
6.4.1 Die quantitativen Strom- und Spannungsverläufe
90
6.4.2 Berechnung der Effektivwerte
91
6.4.3 Dimensionierung des Trafos
92
6.4.4 Gegenüberstellung der Verluste
94
7 Der Eintaktflusswandler
95
7.1 Der Eintaktflusswandler mit nicht lückendem Strom
95
7.1.1 Die Ausgangsspannung
96
7.1.2 Die Primärseite
97
7.1.3 Die Induktivität L
98
7.1.4 Grenze des nicht lückenden Betriebs
99
7.2 Der Eintaktflusswandler mit lückendem Strom
100
7.2.1 Die Strom- und Spannungsverläufe
100
7.2.2 Normierte Ausgangsgrößen
101
7.2.3 Die Grenze des lückenden Betriebs
102
7.2.4 Die Ausgangsdiagramme
102
8 Der Gegentaktflusswandler
105
8.1 Schaltung und Kurvenverläufe
105
8.1.1 Die Ausgangsspannung
106
8.1.1 Ansteuerung des Gegentaktwandlers
107
8.2 Brücken
110
8.3 Sperrverzugszeit von Dioden
112
8.3.1 Problemstellung
112
8.3.2 Messschaltung
112
8.3.3 Abhilfe
113
8.4 Dimensionierungsbeispiel
115
9 Resonanzwandler
119
9.1 Die Boucherot-Schaltung
119
9.1.1 Beziehungen
119
9.1.2 Ansteuerung mit Rechteckspannung
122
9.1.3 Berechnung der dritten Oberwelle
123
9.1.4 Realisierung der Rechteckspannung
124
9.1.5 Ein Ausführungsbeispiel: 12V-Vorschaltgerät für Energiesparlampe
124
9.2 Gegentaktwandler mit Umschwingen des Drosselstroms
126
9.2.1 Grundschaltung
126
9.2.2 Ausgangsspannung in Abhängigkeit der Schaltzeiten
127
9.2.3 Ausgangskennlinie
128
9.2.4 Periodendauer in Abhängigkeit der Ausgangsspannung
129
9.2.5 Umschwingbedingung
130
9.3 Resonanzwandler mit variabler Frequenz
132
9.3.1 Schaltung
132
9.3.2 Vereinfachte Schaltung
132
9.3.3 Ersatzschaltung zur Betrachtung von einem Schaltvorgang
133
9.3.4 Spannungs- und Stromverläufe
133
9.3.5 Beziehungen
134
9.3.6 Berechnung der Ausgangsspannung
135
9.4 Vergleich „hartes“ Schalten – Umschwingen
136
9.4.1 Beispielschaltung
136
9.4.2 Beziehungen
136
9.4.3 Auswirkung auf die ohmschen Verluste in der Drossel
139
10 Leistungsschalter
141
10.1 Der MOSFET
141
10.1.1 Das Schaltzeichen des MOSFET
141
10.1.2 Die Body-Diode
141
10.1.3 Das Ersatzschaltbild des MOSFET
143
10.1.4 Einschaltvorgang
143
10.1.5 Ausschaltvorgang
144
10.1.6 Die Gate-Ladung des MOSFET
144
10.1.7 Die Avalanchefestigkeit
145
10.2 Der SenseFET
146
10.3 Der TOPFET
148
10.4 Der IGBT
149
10.4.1 Das Schaltzeichen des IGBTs
149
10.4.2 Das Ersatzschaltbild des IGBTs
149
10.5 Brückenbausteine
150
10.6 Schaltverluste
151
10.6.1 Abschaltvorgang mit ohmscher Last
152
10.6.2 Abschaltvorgang mit induktiver Last
153
10.6.3 Abschaltvorgang ohne Schaltverluste
154
10.7 Verbesserte Freilaufdiode
155
10.8 Verpolschutzdiode (Kfz)
156
11 Treiberschaltungen für MOSFETs und IGBTs
157
11.1 Einfache Treiberschaltungen
157
11.1.1 Ansteuerung mit CMOS-Gattern
158
11.1.2 Treiber mit Push-Pull-Stufe
158
11.1.3 Aktives Abschaltnetzwerk am Gate
159
11.1.4 Treiber-ICs
160
11.2 Treiberschaltungen mit Potentialtrennung
161
11.2.1 Treiberschaltung mit einstellbaren Schaltzeiten
161
11.2.2 Treiber mit Impulsübertrager
162
11.2.3 Primäransteuerung des Impulsübertragers
166
11.2.4 Dimensionierung des Impulsübertragers
167
11.2.5 Potentialfreie Ansteuerung eines Polwenders
168
11.2.6 Ansteuerung mit verzögertem Einschalten
171
11.2.7 Primäransteuerung
172
11.3 Treiberschaltungen für DC-Motoren
173
11.3.1 High-Side-Schalter mit Ladungspumpe
173
11.3.2 Versorgung für den High-Side-Schalter
176
11.4 DC-Motoren
177
11.4.1 Ersatzschaltbild eines DC-Motors
177
11.4.2 Belastungskurven
177
11.4.3 Drehzahlvorsteuerung
178
12 Regelung der Wandler
179
12.1 PWM-Erzeugung
179
12.2 Regelung der Ausgangsspannung
180
12.3 Analoger PI-Regler
181
12.3.1 PI-Regler mit OP-Schaltung
181
12.3.2 Passiver PI-Regler
182
12.4 Einsatz von integrierten Schaltkreisen
183
12.5 Verwendung von Mikrocontrollern
185
12.5.1 DA-Wandler
185
12.5.2 Programmierter PWM-Generator
188
12.6 Programmierung eines PI-Reglers
193
13 Magnetische Bauteile
195
13.1 Grundlagen des magnetischen Kreises
195
13.1.1 Die Luftspule
195
13.1.2 Der magnetische Kreis mit Ferrit
197
13.2 Dimensionierung von Spulen
202
13.2.1 Vorbemerkung
202
13.2.2 Aussteuerung des magnetischen Kreises
203
13.2.3 Bestimmung des AL-Wertes
203
13.2.4 Ersatzschaltbild der realen Spule
204
13.2.5 Ortskurve der Spule
205
13.2.6 Kupferverluste in der Wicklung
205
13.2.7 Verlustwinkel und Güte
206
13.3 Der Transformator
207
13.3.1 Allgemeine Beziehungen für sinusförmige Verläufe
207
13.3.2 Das Streuersatzschaltbild des Trafos
209
13.3.3 Dimensionierung des Trafos
212
13.4 Dimensionierung von Wicklungen
214
13.4.1 Die Primärwicklung
214
13.4.2 Skin-Effekt
215
13.4.3 Folienwicklung
217
13.4.4 Der Wicklungsaufbau
218
13.4.5 Luftstrecken und Überschlagsfestigkeit
219
13.5 Stromspitzen bei Transformatoren
221
13.5.1 Auswirkung der Magnetisierungskurve
221
13.5.2 Normalbetrieb
222
13.5.3 Ausfall von Netzhalbwellen
222
13.5.4 Einschalten eines Netztrafos im Nulldurchgang der Spannung
222
13.6 Der Stromwandler
223
13.6.1 Anwendungsbereich
223
13.6.2 Die Schaltung
223
13.6.3 Ein Ausführungsbeispiel
224
13.6.4 Stromwandler mit Gleichrichter
224
13.6.5 Stromwandler in Schaltschränken
224
14 Kondensatoren für die Leistungselektronik
225
14.1 Grundsätzliches
225
14.2 Elektrolytkondensatoren
226
14.2.1 Verlustfaktor von Elektrolytkondensatoren
226
14.2.2 Resonanzfrequenz von Elektrolytkondensatoren
227
14.2.3 Wechselstrombelastbarkeit von Elektrolytkondensatoren
227
14.3 Folienkondensatoren
230
15 Die Kopplungsarten
233
15.1 Allgemeines
233
15.1.1 Verkopplungen erkennen
234
15.2 Die Widerstandskopplung
236
15.2.1 Prinzip der Widerstandskopplung
236
15.2.2 Abhilfemaßnahmen
237
15.2.3 Beispiele
238
15.2.4 Widerstandsberechnung
242
15.3 Die kapazitive Kopplung
244
15.3.1 Prinzip der kapazitiven Kopplung u1
244
15.3.2 Vermeidung und Abhilfemaßnahmen
245
15.3.3 Beispiele
246
15.3.4 Einfacher Nachweis elektrischer Felder im Labor
248
15.4 Die magnetische Kopplung
249
15.4.1 Prinzipdarstellung der magnetischen Kopplung
249
15.4.2 Abhilfemaßnahmen bei magnetischer Einkopplung
249
15.4.3 Beispiele
250
15.5 Strahlungskopplung
253
15.5.1 Allgemeines
253
15.5.2 Prinzip der Strahlungskopplung
253
15.5.3 Abhilfemaßnahmen
254
15.5.4 Messung am Kraftfahrzeug
255
15.6 Beispiele aus der Leistungselektronik
256
15.6.1 Kommutierungsvorgang an den Leistungsschaltern
256
15.6.2 Ankopplung des Treibers an den Leistungsschalter
256
16 Störquellen
257
16.1 Zeitbereich – Frequenzbereich
257
16.1.1 Bandbreite
257
16.1.2 Störempfindlichkeit
258
16.1.3 Messprinzip
258
16.2 Fourierreihen
259
16.3 Der Rechteckimpuls
260
16.4 Der Trapezverlauf
266
16.5 Störungen in einem konventionellen Netzteil
269
17 Symmetrie
271
17.1 Prinzip der Symmetrie
271
17.2 Wie erreichen wir die Symmetrie?
272
17.3 Definition der Masse
273
17.4 Einfluss von leitenden Flächen
275
17.5 Verdrillte Leitungen
276
17.6 Symmetrische Datenübertragung
276
17.6.1 Prinzip
276
17.6.2 Eigenschaften
277
17.6.3 Grenzen des Verfahrens
277
17.6.5 Beispiele
278
18 EMV in der Schaltungstechnik
279
18.1 Bauelemente und Schaltungen unter EMV-Aspekten
279
18.1.1 Widerstände
279
18.1.2 Kondensatoren
279
18.1.3 Induktivitäten
280
18.1.4 Der Operationsverstärker
281
18.1.5 Komparatoren
283
18.1.6 Subtrahierverstärker
285
18.1.7 Digitalschaltungen und Prozessoren
287
18.1.8 Die Leiterplatte
288
18.2 Übergang von analog auf digital
290
18.2.1 Schaltzeiten von analogen und von digitalen Schaltkreisen
290
18.2.2 Digitalschaltungen mit Schmitttrigger-Verhalten
291
18.2.3 Flipflop als Schnittstelle
291
18.2.4 Anschluss an AD-Wandler
291
18.3 Überspannungsschutz
292
18.3.1 Schutzelemente
292
18.3.2 Prüfschaltung „Blitzeinschlag in unmittelbarer Nähe“
294
18.4 EMV-gerechte Eingangsschaltung
295
18.4.1 Tipps für den Aufbau
295
18.5.1 Nichtbeschaltete Interrupteingänge
296
18.5.2 Illegale Op-Codes
296
18.5.3 Watchdogs
296
18.5.4 Plausibilitätsabfragen
296
18.5.5 Programme testen
297
18.5.6 Wie störfest ist eine Schaltung?
297
18.5 Maßnahmen in der Software
296
18.6 Spezifische EMV-Aspekte bei Schaltreglern
298
18.6.1 Der Synchronabwärtswandler als Beispiel
298
18.6.2 Eingangs- und Ausgangsfilter
298
18.6.3 Masseverdrahtung
299
18.6.4 Anschluss der Treiber
300
18.6.5 Messen der Ausgangsspannung
300
18.6.6 Aufgespannte Fläche
300
Literaturverzeichnis
301
Sachwortverzeichnis
303
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