Seinen Namen hat der Sperrwandler (englisch: Flyback-Converter), weil er die Energie immer nur während der Sperrphase des Schalttransistors auf den Ausgang überträgt. Er ist sicher der gebräuchlichste und bekannteste aller getakteten Trafo-Wandlerarten vor allem im Bereich kleinerer Leistungen. Dies liegt nicht zuletzt an seiner einfachen Bauweise. Die einfachsten Ausführungen benötigen außer dem Wandlertrafo nur einen Transistor und wenige passive Bauteile. Einziger Nachteil des Wandlers ist der Trafo. Er besteht im Normalfall aus mindestens drei Spulen: Primär-, Rückkopplungs- und Sekundärspule. Deshalb ist es kaum möglich, auf Standardbauteile zurückzugreifen. Bei der Prototypenanfertigung ist man so fast immer auf handgefertigte Einzelstücke angewiesen. Im Grunde genommen ist die Funktion des Sperrwandlers der des Inverswandlers sehr ähnlich. Der wesentliche Unterschied besteht nur darin, dass die in der Spule gespeicherte Energie während der Sperrphase nicht über die gleiche Spule, sondern über eine separate Sekundärspule wieder abgegeben wird. Das hat im Wesentlichen zwei Vorteile: Erstens ist die Ausgangsspannung potentialfrei, was für die Schutztrennung in Netzteilen besonders wichtig ist und zweitens sind hohe Übersetzungsverhältnisse einfacher zu realisieren, was ebenfalls bei Netzteilen, aber auch bei Hochspannungsgeneratoren von Bedeutung ist.
Bild 7 A Grundprinzip eines Sperrwandlers.
In Bild 7
habe ich das Grundprinzip des Sperrwandlers mit den beiden Phasen
(Fluss- und Sperrphase) und den dazugehörigen
Stromflussrichtungen dargestellt. Zunächst ist links die
Flussphase dargestellt. Die
Eingangsspannung
liegt direkt an der Primärspule an, und es fließt ein
linear ansteigender Strom. Dabei wird Energie von der
Eingangsspannungsquelle in die Primärspule übertragen.
Diese Energie wird aber nicht in der Spule selbst, sondern im
Luftspalt des Trafos gespeichert. Deshalb muss die Energie nicht
zwangsläufig über die gleiche (Primär) Spule wieder
abgegeben werden. Diesen Umstand macht man sich beim
Sperrwandler zunutze. Während der Sperrphase,
die zum Zeitpunkt des maximalen Stromflusses einsetzt, befindet sich
ja noch immer die gesamte während der Flussphase gespeicherte
Energie im Luftspalt des Trafos. Unterbricht man den Strom einfach,
würde diese Energie in Form einer sehr hohen Induktionsspannung
frei werden und den Schalttransistor zerstören. Der Trick beim
Sperrwandler besteht darin, dass der Strom nicht in der Primärspule
weiterfließt, sondern von der Sekundärspule übernommen
wird. Dem Magnetfeld ist es sozusagen egal, ob es von der Sekundär-
oder der Primärspule aufrecht erhalten wird. Während
der Sperrphase (Bild 7 Mitte) wird also, damit der Strom
weiterfließen kann, die Sekundärspule auf den Siebelko
geschaltet. Die Spulen sind so gepolt, dass der sekundäre
Spulenstrom den Siebelko auflädt. Während der Flussphase
wird die Last aus der im Siebelko gespeicherten Energie
versorgt. Es ist üblich, bei den Spulen eines Trafos die
Anschlüsse gleicher Polarität im Schaltbild mit einem Punkt
zu markieren.
Wie bei den
bisherigen mit Speicherdrosseln realisierten Wandlern kann auch beim
Sperrwandler ein Schalter, in diesem Fall der sekundärseitige,
durch eine Diode ersetzt werden (Bild 7 rechts).
7.1
Einfache Sperrwandler für kleine Eingangsspannungen
Besonders
einfach sind Sperrwandler aufgebaut, die mit relativ kleinen
Betriebsspannungen bis etwa 40 Volt und mit kleineren Leistungen
arbeiten. Hier braucht man meistens keine besonderen Maßnahmen
zum Schutz der Halbleiter zu treffen. In Bild 7.1 A habe ich die
einfachsten Bauformen des Sperrwandlers dargestellt.
Bild 7.1 A Die beiden einfachsten Bauarten des Sperrwandlers
Bei den
dargestellten Wandlern ist der Trafo mit einer Rückkopplungswicklung
versehen, sodass sie selbstständig schwingen können. In
Bild 7.1 A links wird zunächst der Kondensator C2 über R 1
aufgeladen. Die Spannung an C 2 gelangt über die Koppelspule direkt an
die Basis von T 1. Dadurch erreicht T 1 irgendwann
einen Arbeitspunkt, in dem eine Verstärkung stattfinden kann.
Durch die Rückkopplung schaukelt sich dann
der Kollektorstrom exponentiell auf, bis T 1 voll durchgeschaltet
ist. An der Primärspule liegt dann die Eingangsspannung Ue an.
Solange die Eingangsspannung an der Primärspule anliegt,
steigt der Strom in ihr linear an und die Basis erhält eine
positive Steuerspannung. Der Stromanstieg wird durch zwei Effekte
begrenzt. Einmal kann es passieren, dass T 1 ab einer bestimmten
Stromstärke in die Sättigung gerät,
was dazu führt, dass der Strom in T 1 nicht weiter steigen kann
und so die Kollektor-Emitter-Spannung plötzlich ansteigt. In
gleichem Maße reduziert sich die Spulenspannung. Dadurch
reduziert sich auch die Basisspannung, bzw. der Basisstrom, was
diesen Vorgang beschleunigt, bis T 1 vollständig sperrt.
Andererseits kann auch der Kern des Trafos in die magnetische
Sättigung geraten. Der
Spulenstrom steigt
dann sehr schnell an und der Transistor gerät ebenfalls in die
Sättigung. Auch dann bricht die Spulenspannung schnell zusammen
und T 1 sperrt vollständig. Wenn T 1 sperrt, folgt die
Sperrphase des Wandlers, in der die im Luftspalt des Trafos
gespeicherte Energie über die Sekundärspule und D 1
auf C 3 übertragen wird. Wie schnell sich das Magnetfeld abbaut,
hängt von der Spannung an C 3 ab. Je höher diese Spannung
ist, desto höher ist auch die Induktionsspannung in der Sekundärspule
und in den restlichen Spulen und desto
schneller baut sich das Magnetfeld ab, wodurch auch die
Schwingfrequenz höher wird. Erst wenn das Magnetfeld vollständig
abgebaut ist, bricht auch die Induktionsspannung zusammen. Die
Induktionsspannung geht aber nicht genau auf null zurück sondern
hat durch parasitäre Kapazitäten einen ausgeprägten
Überschwinger in die andere Richtung. Dies führt dazu, dass
T 1 wieder eine positive Basisspannung erhält und
durchschaltet. Damit beginnt der Zyklus erneut. Der Elko C 2 in
Bild 7.1 A links wird übrigens durch die Gleichrichterwirkung
der B-E-Strecke von T 1 aufgeladen, d.h. an der Basis entsteht ein
negativer Gleichspannungsanteil. Daher muss er die im Bild
angegebene Polarität haben. Nur beim Start des Wandlers ist der
Elko kurzzeitig falsch gepolt. Da diese Spannung mit falscher Polung
nicht größer als 0,6 Volt ist und nur kurzzeitig anliegt,
vertragen Elkos das jedoch problemlos. Bild 7.1 A rechts funktioniert
im Prinzip genauso. Lediglich die Koppelspule ist, statt mit Masse,
mit der Betriebsspannung verbunden. Dadurch benötigt man auf der
Primärseite nur eine Spule mit Anzapfung. Die Windungszahlen und
Drahtstärken können in beiden Fällen identisch sein.
Als Trafokern dient in diesen Beispielen ein kleiner
EE20/5-Ferritkern, der mit einem durchgehenden Luftspalt von 0,25 mm
versehen ist. Bei Kernen mit vorgegebenem Luftspalt im Mittelschenkel
entspricht das 0,5 mm. Mit den angegebenen Werten liegt die
Schwingfrequenz je nach Belastung bei ca. 100 kHz.
Zu beachten
ist, dass der Spitze-Spitze-Wert der Spannung in der
Rückkopplungsspule nicht wesentlich mehr als 5 Volt
betragen darf, da dieser Wert auch an der B-E-Strecke in
Sperrrichtung auftritt und die meisten Transistoren nicht viel
mehr vertragen. Wie bei allen ungeregelten Sperrwandlern ist
auch hier ein Leerlauf nicht zulässig. Ohne Last kann die im
Trafo gespeicherte Energie, die pro Periode immer konstant ist, nicht
mehr abgegeben werden und muss irgendwo im Wandler verheizt werden.
Der Schalttransistor kann dann entweder durch die hochlaufende
Spannung oder die zu großen Hitzeentwicklung zerstört
werden. Günstiger verhält sich so ein Wandler im
Kurzschlussbetrieb. Durch die
sehr niedrige
Induktionsspannung während der Sperrphase verlängert sich
diese bei einem ausgangsseitigen Kurzschluss erheblich. Aufgrund der
sich dadurch einstellenden niedrigen Schwingfrequenz wird die
Energiezufuhr erheblich gedrosselt und schützt den Wandler vor
Überlastung.
Die Wandler
aus Bild 7.1 A sind grundsätzlich nur für kleine Leistungen
bis wenige Watt gedacht, da hier einige Nebenwirkungen vernachlässigt
wurden, die bei größeren Leistungen dem Transistor
gefährlich werden können. Außerdem muss der
Basisstrom über R 1 von der Betriebsspannung zugeführt
werden. Dies führt wegen der relativ geringen Stromverstärkung
vieler bipolarer Leistungstransistoren zu einer großen
Verlustleistung in R 1. Es gibt grundsätzlich zwei Tricks, mit
denen man den Basisstrom deutlich erhöhen kann, ohne ihn von der
Betriebsspannung zu holen.
Bild 7.1 B Maßnahmen beim Sperrwandler zur Erzielung höherer Leistungen
Im linken
Bild wird der sich aufladende Kondensator C 2 mit dem Widerstand R 2
belastet. Der Hauptanteil des Basisstromes fließt dann durch R
2. Da die Spannung an C 2, die aus der Koppelspule kommt, i.d.R.
wesentlich niedriger ist als Ue, kann dadurch auch die
Verlustleistung deutlich reduziert werden. R 1 dient jetzt nur
noch als Anlaufwiderstand und
kann relativ groß
gewählt werden. D 2 sorgt dafür, dass der relativ kleine
Anlaufstrom den Kondensator
ungehindert laden
kann und nicht gleich vom recht niederohmigen R 2 quasi
kurzgeschlossen wird. Ein Nachteil dieser Schaltung ist, dass
wegen der negativen Vorspannung an C 2 T 1 nach der Sperrphase erst
wieder durchschalten kann, wenn die induzierte Spulenspannung in der
Koppelspule diesen Wert plus der Schwellspannung von T 1 übersteigt.
Insbesondere bei Belastung der Sekundärspule kann es aber
passieren, dass diese Spannung nicht erreicht wird. Die Oszillation
des Wandlers bricht dann zusammen und setzt erst wieder ein, wenn
sich C 2 über R 1 auf ca. + 0,6 Volt aufgeladen hat. Der Wandler
schaltet sich also nur periodisch kurz ein um dann längere Zeit
zu pausieren.
In der
Schaltung von Bild 7.1 B rechts wird dieser Nachteil vermieden. Durch
eine Inversdiode parallel zur B-E-Strecke von T 1 wird dessen
Gleichrichterwirkung vollständig kompensiert. C2 entlädt
sich deshalb auf etwa null Volt. Jetzt reicht bereits ein
Überschwinger in der Koppelspule von nur 0,6 Volt nach der
Sperrphase aus, um T 1 wieder einzuschalten. Da außerdem die
negative Spannung an der B-E-Strecke von D 2 kurzgeschlossen
wird, sind auch höhere Spannungen an der Koppelspule zulässig,
sodass die Rückkopplung empfindlicher anspricht. Insgesamt wird
dadurch die Schwingung des Wandler stabiler. Natürlich sollte
die Spannung in der Koppelspule nicht zu hoch gewählt werden, da
sonst die Verlustleistung in R 2 unnötig hoch wird. R 2 dient
der Begrenzung des Stromes in der Basis von T 1 und in D 2. Einen
Nachteil hat auch diese Schaltung: T 1 bekommt keinen
ausgeprägten negativen Basisstrom. Um den Basis-Ausräumstrom
zu erhöhen, wurde noch das RC-Glied R4/C3 eingefügt.
Insbesondere bei starker Belastung, z.B. bei sekundärseitigem
Kurzschluss, geht die Spannung an der Koppelspule während der
Sperrphase nur auf ca. 0 Volt zurück. Zwischen Spule und Basis
von T 1 liegt aber noch R 2, der so nur einen geringen
Basis-Ausräumstrom zulässt. Um
geringe
Schaltverluste zu erreichen sollte hier deshalb ein schneller
Schalttransistor verwendet werden. Versuche haben jedoch
gezeigt, dass auch dann der Wirkungsgrad kaum über 50 % steigt.
Bessere Ergebnisse ließen sich auf jeden Fall mit MOSFETs
erzielen. Wegen der geringen Bedeutung ungeregelter Sperrwandler mit
höheren Leistungen möchte ich darauf aber nicht näher
eingehen. In Bild 7.1 B ist auch noch eine weitere Verbesserung,
das R-C-Glied R 3 - C 4, eingeflossen, die T 1 vor Zerstörung
durch induktive Spannungsspitzen schützt. Da bei größeren
Trafoströmen sich eine nicht mehr vernachlässigbar geringe
Menge der im Magnetfeld gespeicherten Energie im Streufeld befindet,
muss diese in der Streuinduktivität gespeicherte Energie beim Übergang
in die Sperrphase auf der
Primärseite des Trafos „entsorgt“ werden. Besonders
wichtig ist dabei, dass die in der Streuinduktivität induzierte
Spannung auf ein für T 1 ungefährliches Maß
reduziert wird. Da diese Maßnahme für alle Sperr- und
viele Flusswandler von großer Bedeutung ist, gehe ich auf
dieses Thema in Kapitel 9 ausführlich ein.