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E-Book

Schaltnetzteile und ihre Peripherie

Dimensionierung, Einsatz, EMV

AutorUlrich Schlienz
VerlagVieweg+Teubner (GWV)
Erscheinungsjahr2007
Seitenanzahl294 Seiten
ISBN9783834892225
FormatPDF
KopierschutzDRM
GerätePC/MAC/eReader/Tablet
Preis29,99 EUR
Das Buch beinhaltet die Grundlagen der Leistungselektronik im mittleren und unteren Leistungsbereich. Darauf aufbauend werden neue Konzepte vorgestellt, werden die Ansteuer- und Regelschaltung unter dem Aspekt industrieller Fertigbarkeit erläutert und spezifische EMV-Fragen behandelt. Die 3. Auflage ist auf den neuesten technischen Stand gebracht und um Schaltungsbeispiele mit ausführlicher Beschreibung ergänzt.

Prof. Dipl.-Ing. Ulrich Schlienz lehrt im Studiengang Elektronik und Kommunikationstechnik an der Hochschule Reutlingen.

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Leseprobe
12.5.2 Programmierter PWM-Generator (S. S. 174-175)

Das PWM-Signal lässt sich natürlich auch mit dem Prozessor programmieren, wenn man den Timer als Zeitbasis mitverwendet. Dies erscheint auf den ersten Blick unnötig kompliziert, da es ja auch Prozessoren mit eingebauten PWM-Generatoren gibt. Betrachtet man jedoch die Kosten, so wird schnell klar, dass eine programmierte PWM im speziellen Fall durchaus sinnvoll sein kann. Dass der Prozessor noch weitere Funktionen, wie z. B. Spannungsüberwachung, Regelung usw. übernehmen kann, macht die Lösung besonders attraktiv. Im vorliegenden Fall sollte eine Teichpumpe solar betrieben werden. Die Pumpe hat einen Synchron-Motor, der normalerweise an der herunter transformierten Netzspannung mit 50 Hz betrieben wird. Da der Synchron-Motor (Spaltmotor) eine hervorragende Lebensdauer hat, sollte an dem Motor nichts verändert werden. Somit musste der Solarstrom als Wechselstrom zur Verfügung gestellt werden.

Dazu wurde direkt am Solarmodul ein Kleinwechselrichter verbaut, der aus 15V-Gleichspannung 12V-Wechselspannung erzeugt und zwar mit variabler Frequenz. Wenn die Sonne stark scheint und viel Energie zur Verfügung steht, soll die Pumpe im Nennbetrieb arbeiten. Ist es bewölkt, soll die Pumpe gemäß ihrem Energieangebot schwächer arbeiten. Das bedeutet aber, dass die Drehzahl gesenkt werden muss. Beim Synchron-Motor sind Frequenz der Versorgungsspannung und Drehzahl exakt synchron (daher der Name). Deshalb muss bei reduzierter Leistung die Frequenz der Wechselspannung entsprechend reduziert werden. Der Wechselrichter arbeitet also mit variabler Spannung und variabler Frequenz.

Die Anforderungen von der Leistungselektronik lassen sich mit einer Vollbrücke realisieren. Sie wird mit einem PWM-Signal angesteuert, das sowohl im Tastverhältnis, als auch in der Frequenz variabel ist. Eine Sinushalbwelle wurde mit lediglich 20 Stützstellen angenähert und die Zahl der PWM-Perioden ebenfalls auf 20 pro Halbwelle festgelegt. Mit einer maximalen Frequenz von 50 Hz ergibt sich damit für die kürzeste PWM-Periodendauer 500 s. Folgende Daten liegen vor bzw. müssen erfüllt werden:

Prozessor:
– 8-Bit-CMOS-Prozessor
– interne Taktfrequenz: 2 MHz
– Timerfrequenz: 500 kHz
– Gehäuse: SO28

PWM:
– Frequenz max. 2 kHz
– Tastverhältnis: 0 bis 100 %
– Randbedingung: Zu kurze Impulse müssen unterdrückt werden, d. h. die PWM springt z. B. von 90 % auf 100 %, da 91 % eine zu kurze „Aus"-Zeit bedeuten würde. Die gesamte Schaltung ist in Bild 12.15 dargestellt. Das SO28-Gehäuse ist eigentlich zu groß. Ein SO20-Gehäuse würde ausreichen. Die Motoransteuerung erfolgt hier so, dass nur die linke Brückenhälfte getaktet wird. PortA7 und PortA6 sind also die Timer-Ausgänge. Die rechte Brückenhälfte wird nur beim Polaritätswechsel – also im Nulldurchgang der Sinuskurve – geschaltet. PortA5 und PortA4 sind einfache Portfunktionen.

Zusätzliche Aufgaben des Prozessors:
– Messen der Modulspannung
– Regelung auf konstanten Wert
– Festlegung von Frequenz und Spannung aus einem Kennlinienfeld
– Bedienung einer Schnittstelle
Inhaltsverzeichnis
Vorwort zur dritten Auflage6
Inhalt7
1 Einführung15
1.1 Vorbemerkung15
1.2 Stromversorgungen17
1.3 PFC Power-Factor-Corrector18
1.3.1 Problemstellung18
1.3.3 Geltende Norm20
1.3.4 Lösung durch PFC20
1.3.5 Betriebsarten zur Leistungsfaktorkorrektur21
1.4 Die Ladungspumpe23
1.4.1 Schaltungsbeispiele23
1.4.2 Wirkungsgrad und Ausgangsleistung einer Ladungspumpe24
1.5 Idealisierung25
2 Der Abwärtswandler27
2.1 Der Abwärtswandler mit nicht lückendem Strom27
2.1.1 Berechnung der Ausgangsspannung29
2.1.3 Die Grenze für den nicht lückenden Betrieb30
2.1.4 Die Größe des Ausgangskondensators31
2.1.5 Analytische erechnung des Effektivwertes33
2.1.6 Numerische Bestimmung des Effektivwertes34
2.2 Der Abwärtswandler mit lückendem Strom36
2.2.1 Der Eingangsstrom37
2.2.2 Der Ausgangsstrom37
2.2.3 Die Ausgangsspannung37
2.2.4 Grenze zum nicht lückenden Betrieb38
2.2.5 Tastverhältnis in Abhängigkeit des Ausgangsstroms39
2.3 Der Abwärtswandler mit Umschwingkondensator40
2.3.1 Vorbemerkung40
2.3.2 Schaltung beim Abwärtswandler41
3 Der Aufwärtswandler43
3.1 Der Aufwärtswandler mit nicht lückendem Strom43
3.1.1 Berechnung der Ausgangsspannung44
3.1.3 Berechnung des Ausgangsstromes46
3.1.4 Berechnung der Induktivität L46
3.1.5 Die Größe der Ausgangskapazität47
3.1.6 Die Grenze des nicht lückenden Betriebs47
3.2 Der Aufwärtswandler mit lückendem Strom48
3.2.1 Die Stromverläufe48
3.2.2 Berechnung der Ausgangsspannung49
3.2.3 Normierung49
3.2.4 Die Grenze zum nicht lückenden Betrieb50
3.3 Bidirektionaler Energiefluss52
4 Der Multi-Parallel-Wandler55
4.1 Der Einfach-Synchronwandler55
4.1.1 Das Schaltbild55
4.1.2 Die Stromverläufe56
4.1.3 Berechnung der Stromeffektivwerte56
4.2 Der Zweifach-Synchronwandler59
4.2.1 Das Schaltbild59
4.2.2 Die Stromverläufe59
4.2.3 Berechnung der Effektivwerte60
4.2.4 Die Stromverläufe für vT < 0,562
4.3 Vierfach-Synchronwandler63
4.3.1 Das Schaltbild63
4.4 Gegenüberstellung der Ergebnisse64
4.5 Synchronisation von Mehrfachwandlern66
4.5.1 I-I-Messung67
4.5.2 I-T-Control67
4.5.3 PWM-gesteuert69
4.6 Vergleich der Synchronisationsverfahren71
5 Der Inverswandler73
5.1 Der Inverswandler mit nicht lückendem Strom73
5.1.1 Die Ausgangsspannung75
5.1.2 Berechnung der Induktivität L76
5.1.3 Die Grenze für den nicht lückenden Betrieb77
5.2 Der Inverswandler mit lückendem Strom78
6 Der Sperrwandler81
6.1 Der Sperrwandler mit nicht lückendem Strom Ue81
6.1.1 Die Ausgangsspannung82
6.1.2 Berechnung der Induktivität L83
6.2 Der Sperrwandler mit lückendem Strom85
6.2.1 Berechnung der Ausgangskennlinien86
6.3 Beispiel: Sperrwandler mit zwei Ausgangsspannungen89
6.4 Dimensionierungsbeispiel90
6.4.1 Die quantitativen Strom- und Spannungsverläufe90
6.4.2 Berechnung der Effektivwerte91
6.4.3 Dimensionierung des Trafos92
6.4.4 Gegenüberstellung der Verluste94
7 Der Eintaktflusswandler95
7.1 Der Eintaktflusswandler mit nicht lückendem Strom95
7.1.1 Die Ausgangsspannung96
7.1.2 Die Primärseite97
7.1.3 Die Induktivität L98
7.1.4 Grenze des nicht lückenden Betriebs99
7.2 Der Eintaktflusswandler mit lückendem Strom100
7.2.1 Die Strom- und Spannungsverläufe100
7.2.2 Normierte Ausgangsgrößen101
7.2.3 Die Grenze des lückenden Betriebs102
7.2.4 Die Ausgangsdiagramme102
8 Der Gegentaktflusswandler105
8.1 Schaltung und Kurvenverläufe105
8.1.1 Die Ausgangsspannung106
8.1.1 Ansteuerung des Gegentaktwandlers107
8.2 Brücken110
8.3 Sperrverzugszeit von Dioden112
8.3.1 Problemstellung112
8.3.2 Messschaltung112
8.3.3 Abhilfe113
8.4 Dimensionierungsbeispiel115
9 Resonanzwandler119
9.1 Die Boucherot-Schaltung119
9.1.1 Beziehungen119
9.1.2 Ansteuerung mit Rechteckspannung122
9.1.3 Berechnung der dritten Oberwelle123
9.1.4 Realisierung der Rechteckspannung124
9.1.5 Ein Ausführungsbeispiel: 12V-Vorschaltgerät für Energiesparlampe124
9.2 Gegentaktwandler mit Umschwingen des Drosselstroms126
9.2.1 Grundschaltung126
9.2.2 Ausgangsspannung in Abhängigkeit der Schaltzeiten127
9.2.3 Ausgangskennlinie128
9.2.4 Periodendauer in Abhängigkeit der Ausgangsspannung129
9.2.5 Umschwingbedingung130
9.3 Resonanzwandler mit variabler Frequenz132
9.3.1 Schaltung132
9.3.2 Vereinfachte Schaltung132
9.3.3 Ersatzschaltung zur Betrachtung von einem Schaltvorgang133
9.3.4 Spannungs- und Stromverläufe133
9.3.5 Beziehungen134
9.3.6 Berechnung der Ausgangsspannung135
9.4 Vergleich „hartes“ Schalten – Umschwingen136
9.4.1 Beispielschaltung136
9.4.2 Beziehungen136
9.4.3 Auswirkung auf die ohmschen Verluste in der Drossel139
10 Leistungsschalter141
10.1 Der MOSFET141
10.1.1 Das Schaltzeichen des MOSFET141
10.1.2 Die Body-Diode141
10.1.3 Das Ersatzschaltbild des MOSFET143
10.1.4 Einschaltvorgang143
10.1.5 Ausschaltvorgang144
10.1.6 Die Gate-Ladung des MOSFET144
10.1.7 Die Avalanchefestigkeit145
10.2 Der SenseFET146
10.3 Der TOPFET148
10.4 Der IGBT149
10.4.1 Das Schaltzeichen des IGBTs149
10.4.2 Das Ersatzschaltbild des IGBTs149
10.5 Brückenbausteine150
10.6 Schaltverluste151
10.6.1 Abschaltvorgang mit ohmscher Last152
10.6.2 Abschaltvorgang mit induktiver Last153
10.6.3 Abschaltvorgang ohne Schaltverluste154
10.7 Verbesserte Freilaufdiode155
10.8 Verpolschutzdiode (Kfz)156
11 Treiberschaltungen für MOSFETs und IGBTs157
11.1 Einfache Treiberschaltungen157
11.1.1 Ansteuerung mit CMOS-Gattern158
11.1.2 Treiber mit Push-Pull-Stufe158
11.1.3 Aktives Abschaltnetzwerk am Gate159
11.1.4 Treiber-ICs160
11.2 Treiberschaltungen mit Potentialtrennung161
11.2.1 Treiberschaltung mit einstellbaren Schaltzeiten161
11.2.2 Treiber mit Impulsübertrager162
11.2.3 Primäransteuerung des Impulsübertragers166
11.2.4 Dimensionierung des Impulsübertragers167
11.2.5 Potentialfreie Ansteuerung eines Polwenders168
11.2.6 Ansteuerung mit verzögertem Einschalten171
11.2.7 Primäransteuerung172
11.3 Treiberschaltungen für DC-Motoren173
11.3.1 High-Side-Schalter mit Ladungspumpe173
11.3.2 Versorgung für den High-Side-Schalter176
11.4 DC-Motoren177
11.4.1 Ersatzschaltbild eines DC-Motors177
11.4.2 Belastungskurven177
11.4.3 Drehzahlvorsteuerung178
12 Regelung der Wandler179
12.1 PWM-Erzeugung179
12.2 Regelung der Ausgangsspannung180
12.3 Analoger PI-Regler181
12.3.1 PI-Regler mit OP-Schaltung181
12.3.2 Passiver PI-Regler182
12.4 Einsatz von integrierten Schaltkreisen183
12.5 Verwendung von Mikrocontrollern185
12.5.1 DA-Wandler185
12.5.2 Programmierter PWM-Generator188
12.6 Programmierung eines PI-Reglers193
13 Magnetische Bauteile195
13.1 Grundlagen des magnetischen Kreises195
13.1.1 Die Luftspule195
13.1.2 Der magnetische Kreis mit Ferrit197
13.2 Dimensionierung von Spulen202
13.2.1 Vorbemerkung202
13.2.2 Aussteuerung des magnetischen Kreises203
13.2.3 Bestimmung des AL-Wertes203
13.2.4 Ersatzschaltbild der realen Spule204
13.2.5 Ortskurve der Spule205
13.2.6 Kupferverluste in der Wicklung205
13.2.7 Verlustwinkel und Güte206
13.3 Der Transformator207
13.3.1 Allgemeine Beziehungen für sinusförmige Verläufe207
13.3.2 Das Streuersatzschaltbild des Trafos209
13.3.3 Dimensionierung des Trafos212
13.4 Dimensionierung von Wicklungen214
13.4.1 Die Primärwicklung214
13.4.2 Skin-Effekt215
13.4.3 Folienwicklung217
13.4.4 Der Wicklungsaufbau218
13.4.5 Luftstrecken und Überschlagsfestigkeit219
13.5 Stromspitzen bei Transformatoren221
13.5.1 Auswirkung der Magnetisierungskurve221
13.5.2 Normalbetrieb222
13.5.3 Ausfall von Netzhalbwellen222
13.5.4 Einschalten eines Netztrafos im Nulldurchgang der Spannung222
13.6 Der Stromwandler223
13.6.1 Anwendungsbereich223
13.6.2 Die Schaltung223
13.6.3 Ein Ausführungsbeispiel224
13.6.4 Stromwandler mit Gleichrichter224
13.6.5 Stromwandler in Schaltschränken224
14 Kondensatoren für die Leistungselektronik225
14.1 Grundsätzliches225
14.2 Elektrolytkondensatoren226
14.2.1 Verlustfaktor von Elektrolytkondensatoren226
14.2.2 Resonanzfrequenz von Elektrolytkondensatoren227
14.2.3 Wechselstrombelastbarkeit von Elektrolytkondensatoren227
14.3 Folienkondensatoren230
15 Die Kopplungsarten233
15.1 Allgemeines233
15.1.1 Verkopplungen erkennen234
15.2 Die Widerstandskopplung236
15.2.1 Prinzip der Widerstandskopplung236
15.2.2 Abhilfemaßnahmen237
15.2.3 Beispiele238
15.2.4 Widerstandsberechnung242
15.3 Die kapazitive Kopplung244
15.3.1 Prinzip der kapazitiven Kopplung u1244
15.3.2 Vermeidung und Abhilfemaßnahmen245
15.3.3 Beispiele246
15.3.4 Einfacher Nachweis elektrischer Felder im Labor248
15.4 Die magnetische Kopplung249
15.4.1 Prinzipdarstellung der magnetischen Kopplung249
15.4.2 Abhilfemaßnahmen bei magnetischer Einkopplung249
15.4.3 Beispiele250
15.5 Strahlungskopplung253
15.5.1 Allgemeines253
15.5.2 Prinzip der Strahlungskopplung253
15.5.3 Abhilfemaßnahmen254
15.5.4 Messung am Kraftfahrzeug255
15.6 Beispiele aus der Leistungselektronik256
15.6.1 Kommutierungsvorgang an den Leistungsschaltern256
15.6.2 Ankopplung des Treibers an den Leistungsschalter256
16 Störquellen257
16.1 Zeitbereich – Frequenzbereich257
16.1.1 Bandbreite257
16.1.2 Störempfindlichkeit258
16.1.3 Messprinzip258
16.2 Fourierreihen259
16.3 Der Rechteckimpuls260
16.4 Der Trapezverlauf266
16.5 Störungen in einem konventionellen Netzteil269
17 Symmetrie271
17.1 Prinzip der Symmetrie271
17.2 Wie erreichen wir die Symmetrie?272
17.3 Definition der Masse273
17.4 Einfluss von leitenden Flächen275
17.5 Verdrillte Leitungen276
17.6 Symmetrische Datenübertragung276
17.6.1 Prinzip276
17.6.2 Eigenschaften277
17.6.3 Grenzen des Verfahrens277
17.6.5 Beispiele278
18 EMV in der Schaltungstechnik279
18.1 Bauelemente und Schaltungen unter EMV-Aspekten279
18.1.1 Widerstände279
18.1.2 Kondensatoren279
18.1.3 Induktivitäten280
18.1.4 Der Operationsverstärker281
18.1.5 Komparatoren283
18.1.6 Subtrahierverstärker285
18.1.7 Digitalschaltungen und Prozessoren287
18.1.8 Die Leiterplatte288
18.2 Übergang von analog auf digital290
18.2.1 Schaltzeiten von analogen und von digitalen Schaltkreisen290
18.2.2 Digitalschaltungen mit Schmitttrigger-Verhalten291
18.2.3 Flipflop als Schnittstelle291
18.2.4 Anschluss an AD-Wandler291
18.3 Überspannungsschutz292
18.3.1 Schutzelemente292
18.3.2 Prüfschaltung „Blitzeinschlag in unmittelbarer Nähe“294
18.4 EMV-gerechte Eingangsschaltung295
18.4.1 Tipps für den Aufbau295
18.5.1 Nichtbeschaltete Interrupteingänge296
18.5.2 Illegale Op-Codes296
18.5.3 Watchdogs296
18.5.4 Plausibilitätsabfragen296
18.5.5 Programme testen297
18.5.6 Wie störfest ist eine Schaltung?297
18.5 Maßnahmen in der Software296
18.6 Spezifische EMV-Aspekte bei Schaltreglern298
18.6.1 Der Synchronabwärtswandler als Beispiel298
18.6.2 Eingangs- und Ausgangsfilter298
18.6.3 Masseverdrahtung299
18.6.4 Anschluss der Treiber300
18.6.5 Messen der Ausgangsspannung300
18.6.6 Aufgespannte Fläche300
Literaturverzeichnis301
Sachwortverzeichnis303

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