Resonanzwandler

Ein Resonanzwandler ist in der elektrischen Energietechnik eine spezielle schaltungstechnische Form eines Gleichspannungswandlers, der zur Energieübertragung mit einem Schwingkreis arbeitet. Der Resonanzwandler wandelt eine Gleichspannung in eine ein- oder mehrphasige Wechselspannung um und wird für optimalen Betrieb typischerweise mit annähernd konstanter Last betrieben. Zudem arbeiten Resonanzwandler, wie alle Schaltnetzteile und im Gegensatz zu Umformern, ohne mechanisch bewegte Teile.

Erfolgt keine Gleichrichtung am Ausgang, dann ist die aus dem englischen stammende Bezeichnung Inverter (dt. Wechselrichter) ebenfalls geläufig.

Inverter zur Versorgung einer Leuchtröhre

Arten

Je nach Anwendung gibt es verschiedene Arten von Resonanzwandlern mit unterschiedlichen Topologien. Allen gemeinsam ist, dass die energieübertragende Strecke im Bereich ihres Resonanzpunktes betrieben wird und in manchen Wandlertypen auch Teil des frequenzbestimmenden Oszillators ist. Der eingesetzte Resonanztransformator kann dabei je nach Anwendung, wie beispielsweise zur galvanischen Trennung, auch als Teil einen Transformator beinhalten bzw. damit ergänzt werden.

• Für Leistungsanwendungen, ab 1 kW, wird so das Ziel erreicht, die Verlustleistungen bei den Schaltvorgängen in den Schalttransistoren zu minimieren. Diese Resonanzwandler kommen in zwei Varianten vor: Entweder wird immer im Nulldurchgang der Spannung (ZVS für Zero Voltage Switching) oder immer im Nulldurchgang des Stromes geschaltet (ZCS oder Zero Current Switching).^[1] Dabei bildet die leistungsübertragende Strecke inklusive des Transformators einen Schwingkreis mit zusätzlichen Kapazitäten und Induktivitäten, welche den Bereich der Schaltfrequenz mitbestimmt.
• Eine weitere Art sind sehr kompakte Stromversorgungen kleiner Leistung im Bereich einiger 10 W, welche auch aus Kostengründen mit einer minimalen Zahl an diskreten Bauelementen auskommen müssen. Das wesentliche Merkmal besteht darin, keinen eigenen Schwingkreis und Regelung mit zusätzlichen elektronischen Bauelementen zu benötigen.

Anwendungen

Beleuchtung

Inverter aus dem Sockel einer Energiesparlampe

Anwendung findet der Resonanzwandler mit Leistungen im Bereich einiger 10 W als elektronisches Vorschaltgerät bei Leuchtstofflampen, um eine für den Betrieb der Leuchtstofflampe notwendige hohe Spannung zu erzeugen. In Kompaktleuchtstofflampen („Energiesparlampen“) wird der Inverter meist fix in den Lampensockel integriert. Er stellt bei der Elektronikentsorgung von defekten Energiesparlampen ein größeres Problem dar als herkömmliche Glühlampen ohne eingebaute Elektronik.

Ein weiteres großes Anwendungsgebiet dieser Inverter ist die Stromversorgung von Leuchtröhren (CCFL), die häufig als Hintergrundbeleuchtung für TFT-Flachbildschirme verwendet werden. Im Englischen werden diese Inverter auch als Display Inverter, CCFL Inverter oder Backlight Inverter bezeichnet. Auch im Bereich von Case-Modding sowie für batterie- oder akkubetriebene Leuchtstofflampen finden Inverter Anwendung.

Realisierungsvarianten

Resonanzwandler

Elektrische Schaltung eines Inverters

Je nach Anwendung gibt es verschiedene Arten der Beschreibung der Funktion:

• Die Steuerung erzeugt zwei Rechteckspannungen mit jeweils etwa 45 % Einschaltdauer, die sich auf keinen Fall überlappen dürfen. Denn dann wären beide Transistoren T1 und T2 gleichzeitig leitend und würden die Betriebsspannung Ue kurzschließen, was diese Transistoren zerstören könnte.
• T1 und T2 legen den linken Anschluss des Kondensators C_r abwechselnd auf 0 V und 12 V. Typische Schaltfrequenzen liegen bei 40 kHz.
• Wenn der Reihenschwingkreis C_r/L_r auf diese Frequenz abgestimmt ist, beginnt in diesen Bauelementen ein annähernd sinusförmiger Wechselstrom zu „schaukeln“, der einen Scheitelwert von beispielsweise 1 A erreicht.
• Wenn die Impedanzen von L_r und C_r jeweils etwa 1000 Ω betragen, kann man an diesen Bauelementen eine Scheitelspannung von 1000 V messen, die das Gas der Leuchtröhre zündet.

CCFL-Inverter

Oben: Prinzipschaltung mit Schaltern. Unten:Vereinfachte, selbstschwingende Prinzipschaltung mit Bipolartransistoren.

Inverterschaltungen für die Stromversorgung von Kaltkathodenröhren (CCFL), wie sie bei der der Hintergrundbeleuchtung von Flachbildschirmen oder auch bei Energiesparlampen Anwendung finden, sind im Regelfall als selbstschwingende Inverter aufgebaut. Sie wandeln Gleichspannungen im Bereich von 10 V bis zu 300 V in höhere Wechselspannungen im Bereich von 600 V bis 700 V mit einer relativ hohen Frequenz von ca. 30 bis 100 kHz um. Typisch für diese Stromversorgungen ist weiters, dass die Last bekannt und meist fix mit dem Inverter verbunden ist. Die nachfolgend dargestellten Inverterschaltungen arbeiten ohne Röhre im Leerlauf nicht optimal.

Nebenstehend ist in der ersten Abbildung die Prinzipschaltung eines CCFL-Inverters dargestellt, realisiert mit einem Umschalter. In dieser Konfiguration entspricht der Wandler einem Halbbrückenwandler. Darunter ein Prinzipschaltbild mit Bipolartransistoren. Mit Vcc ist die Spannungsquelle zur Versorgung bezeichnet, rechts außen der Ausgang (Output) zum Anschluss der Leuchtröhre. Diese Schaltung ist aufgrund der Vereinfachung nicht selbststartend, sondern soll das Prinzip der Rückkopplung zur Schwingungserzeugung mittels der beiden Bipolartransistoren über induzierte Ströme verdeutlichen.

Der induzierte Strom in den beiden primärseitigen Hilfswicklungen, bei entsprechenden Wickelsinn, sperrt jeweils einen Transistor und lässt den gegenüberliegenden Bipolartransitor leitend werden, wodurch ein laufendes Umschalten zwischen den beiden Schaltzuständen erreicht wird. Dieses Prinzip wird auch als Kollektorresonanz bezeichnet, im Englischen wird diese Grundschaltung auch Royer's Circuit oder als Royer Converter genannt.

Klassische CCFL-Inverterschaltung (Royer's Circuit)

Das selbstständige Starten des Oszillators wird erreicht, indem die Basisanschlüsse der beiden Transistoren asymmetrisch von der Hauptversorgung versorgt werden und einer der beiden Transistoren nach dem Einschalten leitend ist, wie es in nebenstehender Abbildung der klassischen CCFL-Inverterschaltung dargestellt ist. Die beiden primärseitigen Hilfswicklungen zur Ansteuerung der beiden Transistoren lassen sich dabei zu einer Wicklung zusammenfassen. Die Schaltfrequenz f_o wird bei dieser Schaltung nur durch die primärseitige Hauptinduktivität L_p des Trafos und des Kondensators C_o als Schwingkreis bestimmt:

$f_o = \frac{1}{2 \pi \sqrt{L_p \cdot C_o}}$

Der Transformator sollte für einen guten Wirkungsgrad eine möglichst kleine Streuinduktivität L_sc besitzen, um so die Resonanzfrequenz der Sekundärseite deutlich über der Schaltfrequenz zu halten. Der sekundärseitige Schwingkreis spielt bei einer kleinen parasitären Streuinduktivität nur eine untergeordnete Rolle. Der Lastkondensator C_b dient in diesem Fall primär als Vorwiderstand und zur Stabilisierung des Lampenstromes durch die Röhre.

Optimierte CCFL-Inverterschaltung mit abgestimmter Sekundärresonanz und Resonanztransformator

Resonanztransformator und ultra-small CCFL-Inverter

Ein Nachteil dieser klassischen Schaltung ist die notwendigerweise geringe Streuinduktivität des Übertragers, welche bauartbedingt schwierig zu realisieren ist. Das steht auch einer Miniaturisierung im Wege.

Durch Einbeziehung des sekundärseitigen Resonanzkreises, unter Bildung eines Resonanztransformators in den Schwingkreis und zur Impedanzanpassung der Röhre, ist es möglich, Übertrager mit wesentlich höherer Streuinduktivität einzusetzen und die Inverterschaltung bei Verbesserung des Wirkungsgrades zu verkleinern. Je nach Schaltung wird dabei auch die Streuinduktivität L_sc durch eine zusätzliche Spule auf der Sekundärseite vergrößert. Das dient der Stabilität und der Reproduzierbarkeit in der Serienproduktion. Wesentlich ist, dass die Resonanzfrequenz f_o des sekundärseitigen Schwingkreises ungefähr der Resonanzfrequenz des primärseitigen Schwingkreises entspricht:

$f_o = \frac{1}{2 \pi \sqrt{L_p \cdot C_o}} \approx \frac{1}{2 \pi \sqrt{L_\mathrm{sc} \cdot (C_w + C_a + C_s)}}$

Der Nachteil dieser optimierten Form besteht darin, dass die elektrischen Parameter der CCFL-Röhre, insbesondere deren Impedanz, wesentlich in die Schaltungsdimensionierung des Inverters und dessen Wirkungsgrad mit eingehen. So kann der Röhrentyp ohne Schaltungsanpassungen im Regelfall nicht einfach geändert werden.

Eine besondere Bauform von CCFL-Inverter stellen die auf piezoelektrischen Transformatoren basierenden CCFL-Inverter dar. Dabei wird der Resonanzkreis durch den auf Piezoelektrizität basierenden Transformator gebildet, welcher die hohe sinusförmige Wechselspannung für die Leuchtröhre liefert.^[2]

Siehe auch

• Piezoelektrischer Transformator

Literatur

• Ulrich Schlienz: Schaltnetzteile und ihre Peripherie. Vieweg, 2007, ISBN 978-3-8348-0239-2.
• B.D. Bedford, Richard G. Hoft: Principles of Inverter Circuits. John Wiley & Sons Inc., 1964, ISBN 0-471-06134-4.

Weblinks

• Jörg Rehrmann, das neue InterNetzteil- und Konverter-Handbuch

• Ein Resonanzwandler mit Schaltungsbeschreibung und Dimensionierung

Einzelnachweise

1. ↑ Resonanzwandler von Jörg Rehrmann: Das Netzteil- und Konverterhandbuch
2. ↑ Comparing magnetic and piezoelectric transformer approaches in CCFL applications Application Note Texas Instruments, 2005