AC/DC-Wandler

Schaltungen erfordern oft eine integrierte AC-Stromquelle als optimale Strategie zur Reduzierung der Größe, der Kosten oder aufgrund anwendungsspezifischer Anforderungen. Das Verständnis der Schlüsselkonzepte, die mit der Umwandlung verbunden sind, und der verfügbaren praktischen Alternativen ist ein guter Anfang für ein erfolgreiches Design.

Sicherheit geht vor!
Wenn die Wechselstromquelle eine Netzsteckdose ist, muss sehr sorgfältig darauf geachtet werden, dass eine Implementierung sicher zu verwenden ist. Dieses Teilsystem sollte ausnahmslos von einem qualifizierten Fachmann entworfen und implementiert werden. Wenn möglich, verwenden Sie ein zugelassenes, handelsübliches Steckerpaket.

Konformität ist Pflicht!
Wenn Sie etwas an eine Netzsteckdose anschließen, muss es den gesetzlichen Zertifizierungsstandards des Landes entsprechen, in dem es verwendet wird. Darüber hinaus muss es getestet und zertifiziert worden sein – ein teurer Prozess. Damit soll sichergestellt werden, dass er sicher ist, andere Menschen nicht stört und keinen Lärm in die Wechselstromleitungen einspeist.

Was ist ein AC/DC-Wandler?
Elektrischer Strom wird auf Drähten entweder als Gleichstrom (DC) transportiert, der mit einer nicht schwankenden konstanten Spannung in eine Richtung fließt, oder als Wechselstrom (AC), der aufgrund einer schwankenden Spannung hin- und herfließt. Wechselstrom ist die vorherrschende Methode der Stromübertragung, da er gegenüber Gleichstrom mehrere Vorteile bietet, darunter niedrigere Verteilungskosten und eine einfache Umstellung zwischen den Spannungsebenen dank der Erfindung des Transformators. Wechselstrom, der mit hoher Spannung über große Entfernungen übertragen und dann auf eine niedrigere Spannung umgewandelt wird, ist eine effizientere und sicherere Stromquelle für Haushalte. Je nach Standort kann die Hochspannung von 4 kV (Kilovolt) bis zu 765 kV reichen. Zur Erinnerung: Die Wechselstromnetze in Privathaushalten reichen von 110 V bis 250 V, je nachdem, in welchem Teil der Welt Sie leben. In den USA beträgt die typische Wechselstrom-Hauptleitung 120 V.

Wandler leiten einen Wechselstrom, dessen Spannung ebenfalls wechselt, in Elemente mit reaktiver Impedanz, wie Induktoren (L) und Kondensatoren (C), wo er gespeichert und integriert wird. Bei diesem Vorgang wird die mit den positiven und negativen Potenzialen verbundene Leistung getrennt. Mit Hilfe von Filtern wird die gespeicherte Energie geglättet, so dass eine Gleichstromquelle für andere Schaltungen entsteht. Diese Schaltung kann viele Formen annehmen, besteht aber immer aus denselben wesentlichen Elementen und kann eine oder mehrere Umwandlungsstufen haben. Der in Abbildung 1 dargestellte Wandler wird als „Durchflusswandler“ bezeichnet, der einen höheren Wirkungsgrad hat als eine etwas einfachere Architektur, ein „Sperrwandler“. Ein Sperrwandler unterscheidet sich von einem Durchflusswandler dadurch, dass sein Betrieb von der im Luftspalt des Transformators gespeicherten Energie abhängt. Abgesehen von diesem Unterschied können sie dieselben wesentlichen Blöcke verwenden.

Abbildung 1: Funktionsblockdiagramm eines AC/DC-Netzteils mit Vorwärtswandler

Eingangsfilterblock
Ein Eingangsfilter ist wichtig, da er verhindert, dass in den Schaltelementen des Netzteils erzeugtes Rauschen auf das Stromnetz zurückgeführt wird. Er verhindert auch, dass Rauschen, das sich in der Netzstromversorgung befindet, in nachfolgende Schaltungen gelangt. Der Filter lässt die Netzfrequenz von 50/60 Hz durch und dämpft höherfrequentes Rauschen und Oberschwingungen, die möglicherweise vorhanden sind. Wie bei anderen Teilen eines Wechselstrom-Gleichstrom-Wandlers übernehmen reaktive Elemente wie Kondensatoren und Induktivitäten die wichtige Aufgabe der frequenzselektiven Unterdrückung. Kondensatoren lassen keinen Gleichstrom durch und können in Reihe (als gleichstromsperrende „Hochpassfilter“-Elemente) oder parallel (zur Ableitung hoher Frequenzen zur Erde, um zu verhindern, dass sie in den Wandler gelangen) verwendet werden.

Der Eingangsfilterblock enthält in der Regel auch einen spannungsabhängigen Widerstand oder Varistor, um zu verhindern, dass hohe Spannungsspitzen im Stromnetz die Stromversorgung beschädigen. Dies ist der rechteckige Kasten mit der diagonalen Linie am Eingang in Abbildung 1. Der gebräuchlichste Varistortyp ist ein Metalloxidvaristor (MOV). Jede Spannung, die über der „Klemmspannung“ des Geräts liegt, führt dazu, dass der MOV leitend wird, wodurch die Hochspannungsspitze überbrückt und der Stromstoß unterdrückt wird.

Gleichrichtung
Die einfachsten AC/DC-Wandler bestehen aus einem Transformator, der der Eingangsfilterung folgt, die dann an einen Gleichrichter weitergeleitet wird, um Gleichstrom zu erzeugen. In diesem Fall erfolgt die Gleichrichtung nach dem Transformator, da Transformatoren keinen Gleichstrom durchlassen. Viele AC/DC-Wandler verwenden jedoch anspruchsvollere, mehrstufige Umwandlungstopologien, wie in Abbildung 1 dargestellt, da sie den Vorteil haben, dass sie einen kleineren Transformator benötigen und weniger Rauschen an das Stromnetz zurückgeben.

Gleichrichter werden mit Halbleiterbauelementen realisiert, die den Strom nur in eine Richtung leiten, wie Dioden. Zu den komplexeren Halbleitergleichrichtern gehören Thyristoren. Siliziumgesteuerte Gleichrichter (SCR) und Trioden für Wechselstrom (TRIAC) sind mit einem Relais vergleichbar, da eine kleine Spannung den Fluss einer größeren Spannung und eines größeren Stroms steuern kann. Sie funktionieren nur dann, wenn ein steuerndes „Gate“ durch ein Eingangssignal ausgelöst wird. Indem man das Gerät zum richtigen Zeitpunkt ein- oder ausschaltet, wenn die Wechselstromwellenform fließt, wird der Strom so gesteuert, dass eine Gleichstromtrennung entsteht. Dafür gibt es viele Schaltungen, bei denen von der Wechselstromwellenform abgegriffene Signale als Steuersignale verwendet werden, die die Phasenquadranten festlegen, in denen die Thyristoren ein- oder ausgeschaltet sind. Dies ist eine Kommutierung, die entweder natürlich (im Fall einer einfachen Diode) oder erzwungen sein kann, wie im Fall von komplexeren Geräten.

Stromversorgungen mit hohem Wirkungsgrad können aktive Geräte wie MOSFETs als Schalter in solchen Schaltungen verwenden. Der Grund für die Verwendung komplexerer Topologien ist in der Regel die Verbesserung des Wirkungsgrads, die Verringerung des Rauschens oder die Leistungsregelung. Dioden haben einen intrinsischen Spannungsabfall, wenn sie leiten. Dies führt dazu, dass in ihnen Leistung verloren geht, aber andere aktive Elemente können einen viel geringeren Spannungsabfall und damit eine geringere Verlustleistung aufweisen. SCR- und TRIAC-Schaltungen werden besonders häufig in kostengünstigen Leistungssteuerungsschaltungen wie dem unten stehenden Beispiel für einen Lichtdimmer verwendet, um den an die Last gelieferten Strom direkt zu steuern und zu kontrollieren, wenn das Eingangsnetz wechselt. Es ist zu beachten, dass diese Implementierungen nicht galvanisch sind, wenn sie keinen Transformator im Schaltkreis haben – sie sind nur in Schaltkreisen nützlich, die wie die direkte netzgebundene Lichtsteuerung geeignet sind. Sie werden auch in industriellen und militärischen Hochleistungsstromversorgungen verwendet, bei denen Einfachheit und Robustheit von entscheidender Bedeutung sind

Abbildung 2: Umwandlung auf SCR-Basis

Leistungsfaktorkorrektur (PFC)
Dies ist der komplizierteste Aspekt eines Wandlers, der zu verstehen ist. Die Blindleistungskompensation ist ein wesentliches Element zur Verbesserung des Wirkungsgrads eines Umrichters, indem sie die relative Phase der Stromaufnahme zur Spannungswellenform korrigiert, um den optimalen Leistungsfaktor zu erhalten. Dadurch wird die „Blindlast“-Charakteristik reduziert, die der Konverter andernfalls in das Stromnetz einspeisen könnte. Dies ist für die Aufrechterhaltung qualitativ hochwertiger, effizienter elektrischer Netze von entscheidender Bedeutung, und Stromversorgungsunternehmen können Kunden mit schlechten Leistungsfaktoren sogar spezielle Blindstromtarife auferlegen. Passive oder aktive PFC bezieht sich darauf, ob aktive oder passive Elemente zur Korrektur der Phasenverhältnisse verwendet werden. Halbleiter-PFC kann sich auf spezielle ICs mit integrierten Controllern beziehen, die darauf zugeschnitten sind, den PFC-Schaltkreis aktiv zu überwachen und einzustellen, wodurch die Anzahl der Komponenten reduziert und das Gesamtdesign vereinfacht wird, während gleichzeitig eine höhere Leistung erzielt wird. Sie können weitere Funktionen wie Über-/Unterspannungsschutz, Überstromschutz, Sanftanlauf und Fehlererkennung/-ansprechung enthalten.

Der in Abbildung 1 dargestellte Wandler ist ein einstufiger PFC-Wandler. Der Kondensator in diesem Abschnitt wird zur Speicherung der unsymmetrischen Energie zwischen der pulsierenden Eingangsleistung und der relativ konstanten Ausgangsleistung der Stufe verwendet. Weitere Einzelheiten hierzu finden Sie im Abschnitt „Blindenergiespeicherung“. Üblicherweise werden zweistufige PFC-Wandler verwendet, da sie nicht mit einem so großen Spannungsbereich über dem Speicherkondensator umgehen müssen, wie dies bei Universalnetzteilen der Fall ist, was sich nachteilig auf die Umwandlungseffizienz auswirkt. Sie können auch bessere Kompromisse bei der Kondensatorgröße bieten, was zur Kostensenkung beitragen kann.

Leistungsstufe
Die Leistungsstufe steuert die von der Primär- zur Sekundärseite über den Transformator gelieferte Leistung. Sie besteht aus einem aktiven Schaltgerät, das mit einer hohen Frequenz schaltet, die im Bereich von Hunderten von kHz liegen kann. Der EIN/AUS-Zustand des Schalters wird durch einen PWM-Eingang (Pulsweitenmodulation) gesteuert, der sich in Abhängigkeit von der dynamisch an die Last zu liefernden Leistung ändert. Diese Information wird über einen Rückkopplungspfad von der Sekundärseite gewonnen, der mit einer Reihe von Techniken übermittelt werden kann, die den Isolationsanforderungen des Wandlers Rechnung tragen. Durch das Schalten mit höherer Frequenz wird ein kleinerer Transformator benötigt, wodurch sich Größe und Kosten verringern.

Transformator
Ein Transformator besteht aus Drähten, die auf einen gemeinsamen Kern gewickelt sind und durch elektromagnetische Induktion miteinander verbunden werden. Dies ist wichtig für den Anschluss an Hochspannungsquellen (Netz) – die so genannte „Offline“-Umwandlung, da die induktive Kopplung das Netz vom nachfolgenden Stromkreis trennt, was wesentlich sicherer ist als ein direkter Anschluss. Diese Kopplung durch ein elektromagnetisches Feld anstelle eines direkten Kupferstromkreises, die als „galvanische Trennung“ bezeichnet wird, beschränkt die maximale Energie, die einen elektrischen Schlag oder gefährliche Funkenentladungen verursachen kann, auf die gespeicherte Energie in den Magnetfeldflusslinien des Transformators. Die Fähigkeit des Transformators, Energie zu speichern (in Bezug auf Größe und Materialien), ist eine wichtige Überlegung bei der Konstruktion von Stromrichtern, da sie bestimmt, wie gut der Transformator die Energie bereitstellen kann, um das gewünschte Spannungspotenzial unter wechselnden Lastbedingungen aufrechtzuerhalten.

Details zur Theorie und Funktionsweise von Transformatoren finden Sie hier.

Abbildung 1 enthält einen Block mit der Bezeichnung „Mag Amp Reset“, der mit der Entmagnetisierung des Transformators aufgrund eines architekturbedingten Magnetisierungsstroms verbunden ist. Ohne diese Maßnahme würde die Remanenz des Kernmaterials den Transformator in wenigen Zyklen der PWM der Endstufe in die Sättigung bringen. Diese zusätzliche Schaltung ist zwar zu komplex, um sie in diesem Lernprogramm zu behandeln, kann aber bei der Durchsicht von Schaltplänen für Wandler sehr verwirrend sein, und es ist nützlich zu wissen, warum sie erforderlich ist. Es gibt eine Reihe von Techniken zur Durchführung der Entmagnetisierung. Die einfachste besteht darin, dass bei ausgeschaltetem Endstufenschalter ein Entmagnetisierungsstrom über eine separate Hilfswicklung als Diode zurückgeführt wird. Diese Schaltung beschränkt das maximale PWM-Tastverhältnis auf 50 %, aber es können komplexere Methoden verwendet werden, um höhere Tastverhältnisse zu ermöglichen.

Transformatoren oder andere Methoden der galvanischen Trennung (wie Optokoppler) werden häufig verwendet, um Informationssignale zwischen Primär- und Sekundärseite zu übertragen. Dies ist erforderlich, um eine komplexere Steuerung des Umwandlungsprozesses zu ermöglichen, so dass ein primärseitiger Steuerkreis auf den Zustand der sekundärseitigen Last reagieren und die Stromsteuerung dynamisch ändern kann, um ein geringeres Rauschen und einen höheren Wirkungsgrad zu erzielen.

Ausgangsschaltungen
Wie im Abschnitt über die Filterung erwähnt, speichern elektrische Felder in passiven reaktiven (Speicher-)Elementen wie Kondensatoren und Induktoren Energie. Wenn sie nach der ladungssteuernden Gleichrichtung verwendet werden, fungieren sie als Energiereservoir während des wechselnden Eingangsstromzyklus. Dies ist ein wesentliches Element in einem Umrichter, da dieser Energiespeicher als Quelle fungiert und eine konstante Ausgangsspannung unter wechselnden Lastbedingungen ermöglicht. Aktive Elemente erfassen die an der Last anliegende Spannung und/oder den in die Last fließenden Strom und nutzen diese Informationen in einem Regelkreis mit negativer Rückkopplung, um die in diese Speicherelemente gepumpte Energie so anzupassen, dass ein konstantes Ausgangsspannungsniveau aufrechterhalten wird. Bei diesem Pumpvorgang werden aktive Elemente verwendet, um den in die Speicherelemente fließenden Strom ein- und auszuschalten, was unter dem weit gefassten Begriff der Regulierung zusammengefasst wird.

Regulierung
Wir benötigen eine konstante Spannung an einem Lastkreis, unabhängig von der dynamischen Impedanz der Last. Andernfalls kann es zu Über- oder Unterspannungen kommen, die zu Fehlverhalten oder sogar zur Beschädigung der Schaltung führen. Dies gilt insbesondere für digitale Niederspannungselektronik, bei der die Versorgungsspannungen innerhalb eines Fensters von wenigen Prozent des Nennwerts eng begrenzt werden müssen. Blindwiderstände haben keine eingebaute Kontrolle über diesen Bereich. Die Art und Weise, wie ein AC/DC-Wandler ein eng begrenztes Fenster der Ausgangsspannung erreicht, ist die bedingte Steuerung der in der reaktiven Speicherquelle mit niedriger Impedanz gespeicherten Energie.

Die Ausgangsspannung ändert sich im Laufe der Zeit, wenn Energie aus diesen Elementen abfließt, und kann auch Schwankungen aufweisen, die durch die nicht idealen Eigenschaften der Geräte – wie Serienwiderstand oder parasitäre Kapazität – verursacht werden. Um diese Quelle wieder aufzuladen, ist eine Art dynamische Steuerung erforderlich. Dies wird als Regelung bezeichnet. Bei Lasten wie Mikroprozessoren ändert sich der Leistungsbedarf, wenn sie verschiedene Operationen durchführen, was die Notwendigkeit einer aktiven dynamischen Regelung noch verstärkt.

Die Regelung ist ein Rückkopplungskreis, der die Schaltelemente steuert. In diesem Fall befindet sich das Schaltelement auf der Primärseite des Wandlers. Damit ein Schalter effizient ist, muss er entweder hart EIN (möglichst niedrige Impedanz) oder hart AUS (möglichst hohe Impedanz) sein – denn in den Zwischenzuständen wird die durch den Schalter fließende Energie vergeudet. Halbleiterschalter wie MOSFETS sind nicht ideal und weisen eine gewisse Impedanz auf, sie verlieren Energie, was die Umwandlungseffizienz senkt.

Es gibt eigentlich nur zwei Möglichkeiten, einen Schalter zu steuern, indem man die Einschaltdauer (Duty Cycle) eines Schalters variiert, was als Pulsweitenmodulation (PWM) bezeichnet wird, oder indem man die Frequenz steuert, mit der er ein- oder ausgeschaltet wird. Nicht-Resonanzwandler verwenden harte Schalttechniken, aber Resonanzwandler verwenden eine intelligentere Soft-Switching-Technik. Sanftes Schalten bedeutet, dass die Wechselstromwellenformen bei Nullspannung oder Nullstrom ein- oder ausgeschaltet werden, wodurch Schaltverluste vermieden werden und Architekturen mit sehr hohem Wirkungsgrad entstehen. Techniken wie die synchrone Gleichrichtung ersetzen die Gleichrichterdioden durch aktive Schaltelemente wie MOSFETS. Die Steuerung des Schaltvorgangs synchron zur AC-Eingangswellenform ermöglicht es dem MOSFET, zum richtigen Zeitpunkt mit einem sehr niedrigen Einschaltwiderstand und einem geringeren Spannungsabfall zu leiten, was im Vergleich zur Diodengleichrichtung zu einem höheren Wirkungsgrad führt.

Woher weiß der Regelkreis, wann er schalten muss? Es gibt zwei grundsätzliche Methoden der Regelung: Spannungsregelung und Stromregelung. Regler verwenden eine oder eine Kombination beider Methoden, um die Spannung zu regeln, die an den Lastkreis abgegeben wird.

Spannungsregelungsmodus

Der Regelkreis erfasst die Ausgangsspannung und vergleicht sie mit einer Referenzspannung, um eine Fehlerfunktion zu erzeugen. Das Fehlersignal modifiziert das Schaltverhältnis, um den Ausgang näher an den gewünschten Wert zu bringen. Dies ist die einfachste Regelungsmethode.

Stromregelungsmodus

Sowohl die Ausgangsspannung als auch der Induktorstrom werden erfasst und die Kombination zur Steuerung des Tastverhältnisses verwendet. Diese innere „Stromerfassungsschleife“ ermöglicht eine schnellere Reaktionszeit auf Laständerungen, ist aber komplexer als die Spannungsregelung.

Die Art und Weise, wie sich ein Umrichter als Kommutierungszyklus verhält, wird als kontinuierliche oder diskontinuierliche Betriebsart bezeichnet, was das Regelelement zusätzlich zur Regelungsmethode verkompliziert. Bei einer kontinuierlichen Betriebsart fällt der Induktionsstrom nie auf Null (sofern die Stromrichtertopologie eine solche aufweist). Dies ist eine Betriebsart mit geringerer Ausgangswelligkeit und daher geringerem Rauschen, aber da die Induktivität immer leitend ist, verliert sie auch immer etwas Energie durch ihre nicht idealen Leitungsverluste in Reihe. Im diskontinuierlichen Modus kann der Induktionsstrom auf Null gehen, so dass die Last Energie aus den Speicherkondensatoren bezieht. Dies ist eine Betriebsart mit höherem Wirkungsgrad, hat aber potenziell eine höhere Restwelligkeit und eine schlechtere Regelungssteuerung.

Wandlertypen
Wie bereits kurz erwähnt, gibt es mehrere Wandlertypen in Bezug auf ihre Topologie, einschließlich Flyback- und Buck-Flyback-Architekturen. Dies sind gängige Topologien, da sie Transformatoren enthalten, eine geringe Anzahl von Komponenten aufweisen und im Vergleich zu anderen Optionen kostengünstig sein können. Flyback-Wandler sind Abwärts/Aufwärtswandler (Step-up/Step-down), bei denen die Drossel durch einen Transformator ersetzt wird. Die im Transformator gespeicherte Energie wird genutzt, um die Sekundärseite über eine aktive oder passive Gleichrichterschaltung zu kommutieren. Der gängigste Typ von Sperrwandlern arbeitet im diskontinuierlichen Modus (DCM) – wobei der Stromfluss im Transformator gegen Null geht -, da dies in der Regel den einfachsten Regelkreis und die niedrigsten Kosten hat. Sperrwandler im Dauerstrombetrieb (CCM) sind für höhere Leistungen erforderlich, führen aber aufgrund der kontinuierlichen Stromführung zu höheren Verlusten in der Transformatorwicklung. Viele Stromversorgungen schalten je nach Lastpegel zwischen den Modi um. Quasi-resonante (QR) und talwärts schaltende/variable Frequenzvarianten der Flyback-Topologie sind komplexere Schaltungen, die optimieren, wann und wie geschaltet wird, um den Wirkungsgrad zu verbessern. QR-Flyback erreicht dies durch die Rückgewinnung von Energie aus nicht idealen Streuinduktivitäten, und die Talschaltung reduziert durch Überschwingen verursachte Spitzen. Sie werden in der Regel in Anwendungen mit geringem Stromverbrauch eingesetzt.