Neue Elektronik

Galvanisch getrennte Netzteile werden in zahlreichen Anwendungen eingesetzt. Dafür gibt es unterschiedliche Gründe.

In einigen Stromkreisen ist aus Sicherheitsgründen eine galvanische Trennung erforderlich. In anderen Schaltkreisen wird die funktionale Isolation verwendet, um jegliche Störungen von Signalen zu blockieren.

Eine galvanisch getrennte Stromversorgung wird üblicherweise mit einem Sperrwandler ausgeführt. Diese Regler sind sehr einfach aufgebaut. Abbildung 1 zeigt einen typischen Aufbau eines solchen Reglers mit einem ADP1071-Flyback-Controller.

Dass es sich um einen Sperrwandler handelt, erkennen wir daran, dass die Punkte auf dem Transformator nicht übereinstimmen. Es kommt ein primärseitiger Leistungsschalter (Q1) zum Einsatz. Außerdem ist eine sekundärseitige Gleichrichterschaltung erforderlich. Dies kann mit einer Schottky-Diode erfolgen, für höhere Wirkungsgrade wird jedoch üblicherweise ein aktiver Schalter (Q2 in Abbildung 1) verwendet. Der entsprechende ADP1071-Controller übernimmt die Ansteuerung der Schalter und die galvanische Trennung für den Feedback-Pfad FB.

Abbildung 1. Typischer Sperrwandler (Sperrwandler) für eine Leistung von bis zu ca. 60 W.

Obwohl Sperrwandler sehr beliebt sind, weist diese Topologie praktische Einschränkungen auf. Der Transformator T1 in Abbildung 1 wird eigentlich nicht als klassischer Transformator verwendet. Wenn Q1 eingeschaltet ist, fließt kein Strom durch die Sekundärwicklung von T1. Die Energie des primärseitigen Stroms wird nahezu vollständig im Transformatorkern gespeichert.

Ähnlich wie ein Tiefsetzsteller Energie in einer Drossel (Induktivität) speichert, geschieht dies bei einem Sperrwandler im Transformator. Im ausgeschalteten Zustand von Q1 entsteht ein Stromfluss auf der Sekundärseite von T1. Dadurch werden der Ausgangskondensator COUT und der Ausgang mit Energie versorgt. Dieses Konzept ist sehr einfach zu implementieren, weist jedoch bei höheren Leistungen inhärente Einschränkungen auf. Der Transformator T1 dient als Energiespeicherelement. Aus diesem Grund kann der Transformator auch als gekoppelte Drossel (Drossel) bezeichnet werden. Voraussetzung dafür ist, dass der Transformator die benötigte Energie speichern kann. Je höher die Energieklasse des Netzteils, desto größer und teurer ist der Transformator. In den meisten Anwendungen liegt die Obergrenze bei etwa 60 W.

Wenn für höhere Leistungen eine galvanisch getrennte Stromversorgung benötigt wird, bietet sich ein Durchflusswandler an. Das Konzept ist in Abbildung 2 dargestellt. Hier wird der Transformator tatsächlich wie ein klassischer Transformator verwendet. Während auf der Primärseite Strom durch Q1 fließt, entsteht auch auf der Sekundärseite ein Stromfluss. Der Transformator muss somit keine Energiespeicherkapazität bereitstellen. Tatsächlich ist das Gegenteil der Fall. Es muss sichergestellt werden, dass der Transformator während der Auszeit von Q1 immer entladen wird, damit er nicht nach einigen Zyklen versehentlich in die Sättigung gerät.

Abbildung 2. Vorwärtsregler (Durchflusswandler) für eine Leistung von bis zu ca. 200 W.

Für die gleiche Leistung benötigt ein Vorwärtswandler einen kleineren Transformator als ein Sperrwandler. Dadurch ist der Durchflusswandler auch bei Leistungen unter 60 W praktisch und sinnvoll einsetzbar. Ein Nachteil besteht darin, dass der Transformatorkern bei jedem Zyklus von ungewollt gespeicherter Energie befreit werden muss, was durch die aktive Klemmbeschaltung mit Schalter Q4 und Kondensator CC in Abbildung 2 realisiert wird. Ein Durchflusswandler benötigt außerdem normalerweise eine zusätzliche Induktivität L1 auf der Ausgangsseite . Allerdings kann dadurch die Ausgangsspannung bei gleicher Leistung auch eine geringere Welligkeit aufweisen als die eines Sperrwandlers.

Abbildung 3. Beispiel einer Schaltung mit einem ADP1074, simuliert in LTspice.

Power-Management-ICs wie der ADP1074 von Analog Devices bieten eine sehr kompakte Lösung für den Entwurf eines Vorwärtswandlers.

Diese Architektur wird normalerweise verwendet, wenn Leistungspegel von mehr als etwa 60 W erforderlich sind. Unterhalb von 60 W könnte ein Vorwärtswandler aufgrund der Komplexität der Schaltung und der erreichbaren Wirkungsgrade auch eine bessere Wahl als ein Sperrwandler sein. Um die Entscheidung für die zu verwendende Topologie zu erleichtern, empfiehlt sich die Simulation mit dem kostenlosen Schaltungssimulator LTspice. Abbildung 3 zeigt das Simulationsschema einer ADP1074-Durchflusswandlerschaltung in der LTspice-Simulationsumgebung.

Angaben zum Autor:Frederik Dostal, Field Applications Engineer, Analog Devices, ist erreichbar unter:

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Dies ist der sechste Teil einer Reihe von Designtipps von ADI.

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