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Der Sperrwandler oder Sperrschwinger (engl. Flyback Converter), eine häufig anzutreffende Bauform von Gleichspannungswandlern, dient zur Übertragung elektrischer Energie zwischen zwei Gleichspannungskreisen, die verschiedene Spannungen aufweisen und voneinander galvanisch getrennt sein können. Sperrwandler finden sich in sehr unterschiedlichen Anwendungen — primärgetaktete Schaltnetzteile kleiner Leistung (< 250 W, auch als separate Standby-Versorgung in größeren Netzteilen), Spannungswandler in elektronischen Geräten, Hochspannungserzeugung in Blitzgeräten und für TV-Bildröhren, aber auch die Erzeugung des Zündfunkens in Automobilen sind Beispiele dafür.

Das hier benutzte Prinzip zur Erzeugung elektrischer Schwingungen findet auch in Audio-Oszillatoren Verwendung, wobei oft die sägezahnförmige Ausgangsspannung mit ihrem kompletten Oberwellenspektrum gezielt ausgenutzt wird.

Inhaltsverzeichnis 1 Funktionsweise in Stromversorgungen 2 Beispiel eines Sperrwandler-Schaltnetzteils 3 Dreiphasiger Sperrschwinger 4 Vor- und Nachteile 5 Siehe auch 6 Weblinks

Funktionsweise in Stromversorgungen

Das Prinzip des Sperrwandlers ist, dass eine kleine Menge Energie im Magnetfeld einer Spule – in der so genannten Speicher-Drossel – gespeichert wird (1. Phase, „Laden“ der Spule) und diese danach auf der Verbraucherseite bezogen wird (2. Phase, „Entladen“ der Spule). Dieser Zyklus wird einige Tausend Mal pro Sekunde durchlaufen, so dass ein quasi kontinuierlicher Energiefluss von der Erzeuger- zur Verbraucherseite entsteht.

Die 1. Phase ist die Leitphase mit geschlossenem, die 2. Phase die Sperrphase mit geöffnetem Schalter S.

Während der Leitphase (Abb. 1a) sperrt die Diode D (Plus an Kathode), und es fließt ein Strom I_L durch die Spule L. Dadurch baut sich ein Magnetfeld auf. In dieser Phase gibt es keine Energieübertragung, daher muss der Verbraucher R_L aus dem Kondensator C mit Strom versorgt werden.

Öffnet sich der Schalter S, so beginnt die Sperrphase (Abb. 1b). Der Strom I_L in der Spule kann sich wegen ihrer Induktivität aber nicht schlagartig ändern und fließt nun durch die Diode D, wobei sich eine negative Spannung über der Spule bildet. Dadurch wirkt die Spule jetzt wie eine Stromquelle, lädt den Kondensator neu auf und versorgt gleichzeitig den Verbraucher mit Strom. Der Strom I_L fließt von der Spule in den Kondensator C und in den Verbraucher (I_a) und über die Diode D zurück in die Spule, wobei er dabei linear abnimmt und schließlich Null wird, wenn alle Energie aus der Spule abgeflossen ist, die Spule also "entladen" ist.

Danach schließt der Schalter wieder, die Leitphase beginnt wieder, und das Spiel beginnt von vorne. Der eigentliche Energietransport findet also während der Sperrphase statt, weshalb diese Schaltung als Sperrwandler bezeichnet wird.

In der Praxis wird als Schalter ein Transistor, oft ein MOSFET eingesetzt (Abb. 1c), der mit einer Rechteckspannung angesteuert wird, wobei Frequenzen von 16 kHz (knapp über dem Hörbereich zur Vermeidung von Störgeräuschen) bis über 500 kHz gewählt werden – höhere Frequenzen erlauben die Verwendung kleinerer Spulen, bedingen aber höhere Verluste im Schaltelement und der Diode.

Verwendet man statt einer einfachen Spule einen Transformator, dann

1. sind größere Spannungsübersetzungen erreichbar;
2. sind mehrere Ausgangsspannungen möglich;
3. kann die wichtige galvanische Trennung zwischen Primärbereich und Sekundärbereich erreicht werden.

Bei Schaltnetzteilen ist der Transformator des Sperrwandlers dank der hohen Arbeitsfrequenz viel kleiner als bei der Verwendung eines Transformators mit 50 Hz. Dies spart Herstellungskosten und Gewicht.

In den allermeisten Fällen ist eine Regelung des Sperrwandlers notwendig, denn der Energiebezug des Verbrauchers kann schwanken. Ein ungeregelter Sperrwandler aber überträgt bei konstanter Spannung immer die gleiche Leistung, nämlich die Speicherenergie der Spule multipliziert mit der Arbeitsfrequenz (Anzahl Leit- und Sperrphasen pro Sekunde). Falls der Sperrwandler mehr Energie überträgt, als der Verbraucher gerade benötigt, steigt automatisch die Spannung am Verbraucher. Dies kann dramatische Folgen haben, weshalb man meistens eine Regelung einbaut oder bei ganz kleinen Leistungen parallel zum Verbraucher eine Zenerdiode schaltet, welche die überschüssige Spannung ableitet und die überschüssige Energie damit in Wärme verwandelt.

Für die Regelung wird oft eine Messwicklung auf dem Trafo angebracht; man vergleicht die Spannung aus dieser Wicklung mit einem Referenzwert. Das Ergebnis wird dann einem Steuer-IC zugeführt, das das Tastverhältnis der Schaltfrequenz nachregelt.

Statt einer Messwicklung kann man auch sekundärseitig die Ausgangsspannung mit einer Referenzspannung vergleichen und die Abweichung über einen Optokoppler auf die Primärseite übertragen, um die notwendige galvanische Trennung beizubehalten.

Beispiel eines Sperrwandler-Schaltnetzteils

Um einen Sperrwandler am Stromnetz zu betreiben, wird die Netzwechselspannung über eine Gleichrichterbrücke gleichgerichtet und mit einem Elektrolytkondensator geglättet. An diesem Kondensator liegen bei 230 V~ ca. 325 V- (= U_e). Deshalb ist es sehr wichtig, vor einer Reparatur den Kondensator zu entladen, um Stromschläge zu vermeiden. Die Reparatur sollte deshalb einem Fachmann überlassen werden.

In der nebenstehenden Abbildung bezeichnet a) einen kompletten und b) einen stark vereinfachten Schaltplan eines Schaltnetzteils. Hier wird nur eine Ausgangsspannung dargestellt. Die Bauelementebezeichnungen bei b) wurden von a) übernommen.

Dreiphasiger Sperrschwinger

Es ist prinzipiell möglich, mit Hilfe eines speziellen Transformators und eines Kondensators auch Sperrschwinger zu realisieren, die Drehstrom liefern. Hierzu muss parallel zu zwei Sekundärwindungen des Transformators ein Kondensator geschaltet werden, der eine Phasenverschiebung von 90 Grad ergibt. Diese muss mit je einer Sekundärwicklung ohne parallelgeschalteten Kondensator in Reihe geschaltet werden, wobei die Windungen mit parallelgeschaltetem Kondensator zueinander entgegengesetzt gepolt sein müssen. Das Windungsverhältnis zwischen der Sekundärwindung mit dem parallelgeschalteten Kondensator und der ohne parallelgeschalteten Kondensator muss 0,5 * Wurzel(3) / 0,5 = Wurzel(3) betragen, damit bei der Summierung beider Spannungen am Ausgang ein gegenüber der Primärwindung um 120 Grad phasenverschobenes Signal entsteht. Das Windungsverhältnis zwischen der Sekundärspule ohne Phasenverschiebung, der Sekundärspule mit parallelgeschalteten Kondensator und der Sekundärspule, mit der diese in Reihe liegt, muss 1 : 0,5 : 0,5 * Wurzel(3) betragen.

Vor- und Nachteile

Vorteile:

• Einfacher Aufbau
• Kostenersparnis bei den Trafos möglich
• Wirkungsgrad = mittel

Nachteile:

• Hohe Spannungsbelastung am Leistungsschalter (~2x Ue)
• Es kann schnell zu Problemen mit der EMV, Störspannung und Störleistung kommen.
• Große magnetische Belastung des Kerns

Zusammenfassung:

• Der Sperrwandler überträgt seine Energie auf die Sekundärseite erst, wenn der Leistungschalter auf der Primärseite öffnet. Dioden auf der Sekundärseite sperren beim Schließen des Leistungsschalters.
• Lückender oder Nichtlückender Betrieb bestimmt man mit dem Tastverhältnis (Duty) des Leistungsschalters.
  • Lückender Betrieb : Primärstrom dreieckförmig ( +Schnell, -Lastsprünge )
  • Nichtlückender Betrieb : Primärstrom trapezförmig ( +Einfach zu Regeln, Normalfall )

Siehe auch

Durchflusswandler

Weblinks

• Schaltnetzteile Prof. Dr.-Ing. Heinz Schmidt-Walter

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