Eintaktflusswandler

Der Eintaktflusswandler (englisch Forward Converter) ist eine Ausführungsform eines galvanisch getrennten Gleichspannungswandlers, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Energieübertragung ausschließlich in der Leitphase des einzelnen schaltenden Bauelementes stattfindet. Anwendungen dieses Wandler sind beispielsweise Schaltnetzteile.

Im Unterschied zu Sperrwandlern, die besonders für geringe Leistungen geeignet sind, werden Eintaktflusswandler bei Leistungen ab etwa 100 Watt bis zu rund 500 W eingesetzt, da sie einen besseren Wirkungsgrad aufweisen. Bei größeren Leistungen kommen Gegentaktflusswandler zum Einsatz.

Funktion

Vereinfachtes Schaltbild eines Eintaktflusswandlers

Dem Wandler wird, wie in nebenstehender Skizze auf die wesentlichen Bauelemente vereinfacht, links die Gleichspannung U_E zugeführt. Diese Spannung ist in dem Anwendungsbereich von Schaltnetzteilen typischerweise die gleichgerichtete Netzspannung von rund 230 V, was nach der Gleichrichtung einer geglätteten Gleichspannung von ca. 325 V entspricht. Der Schalter S ist in praktischen Schaltungen als ein Schalttransistor ausgeführt, welcher mit Schaltfrequenzen von einigen 10 kHz bis zu einigen 100 kHz und unterschiedlichen, da lastabhängigen, Pulsweiten durch eine nicht dargestellte Steuereinheit angesteuert wird.

Der Transformator Tr dient der galvanischen Trennung und setzt dem Windungszahlverhältnis entsprechend die Eingangsspannung auf eine sekundärseitige Spannung um. Die sekundärseitige Gleichrichtung besteht aus der Diode D₁, daran anschließend folgt einen Schaltungsteil welcher zu dem nicht galvanisch getrennten Abwärtswandler weitestgehend identisch ist. Dieser Schaltungsteil dient der Umsetzung auf die endgültige Ausgangsgleichspannung U_A für die an Anschlussklemmen rechts außen angeschlossenen Verbraucher. Dieser Abwärtswandler besteht aus der Freilaufdiode D₂ , der Speicherdrossel L und dem Glättungskondensator C welcher parallel zur Last geschaltet ist.

Der Wandler ist durch zwei Zustände gekennzeichnet, welche durch den Zustand des einen Schalter S (daher „Eintakt“) bestimmt werden:

Leitzustand

Bei geschlossenem Schalter S fließt ein Strom durch die Primärwicklung des Transformators Tr und ein mit dem Windungszahlverhältnis übersetzter Strom durch die ausgangsseitige Diode D₁ und die Speicherdrossel L. Die Diode D₂ ist in diesem Zustand in Sperrrichtung geschaltet und sperrt. Der Strom steigt linear, da sich in der Speicherdrossel ein Magnetfeld aufbaut. Der Kondensator C wird auf die Ausgangsspannung aufgeladen. Da der Energietransport von der Primär- zur Sekundärseite bei diesem Wandler in der Leitphase passiert, zählt er zu der Gruppe der Flusswandler.

Dieser Zustand wird eine bestimmte Zeit t_on gehalten, danach öffnet der Schalter S und der Wandler geht in den Sperrzustand über.

Sperrzustand

Bei geöffneten Schalter S sperrt D₁ da die Sekundärspannung sich umpolt. Der Strom durch die Speicherdrossel L ist stetig und fließt in der Sperrphase über die dann leitende D₂. Gemeinsam mit dem Kondensator C wird so die Ausgangsspannung U_A, bis auf einen kleinen Rippel, konstant gehalten.

Dieser Zustand wird eine bestimmte Zeit t_off gehalten, danach schließt der Schalter S und der Zyklus beginnt mit dem Leitzustand von neuen.

Der Magnetisierungsstrom muss bei Eintaktflusswandler möglichst klein gehalten werden wird in diesem stark vereinfachten Beispiel in der Sperrphase in Verlustwärme umgesetzt, da der primärseitige Strom immer nur in einer Richtung fließt und es so zu einem Gleichstrombelag im Transformator kommt. Einen kleinen Magnetisierungsstrom erreicht man mit Kernmaterial mit hoher Permeabilitätszahl und durch Vermeiden eines Luftspaltes. Die Kernhälften eines Flusswandler sind plangeschliffene, mit Klammern zusammengepresste Kernhälften ohne Spalt welche ohne Verschmutzung auf den Auflageflächen verarbeitet werden.

Die Magnetisierungsenergie kann bei gegebener Arbeitsfrequenz auch durch eine höhere Windungszahl verringert werden, das möchte man jedoch im Interesse geringer Kupferverluste vermeiden. Zur Verbesserung des Wirkungsgrades wird der Transformator des Eintaktflusswandler daher meist mit einer zusätzlichen Entmagnetisierungswicklung versehen.

Entmagnetisierungwicklung

Schaltbild eines Eintakt-Durchflusswandlers mit Entmagnetisierungswicklung

Die zusätzlich eingebrachte Wicklung N2 im nebenstehenden Schaltskizze dient der Entmagnetisierung des Trafokerns in der Sperrphase und führt die im Transformator gespeicherte Energie über die Diode D1 in die Speisespannung beziehungsweise C1 zurück. Haben die Primärwicklung N1 und die Entmagnetisierungswicklung N2 die gleiche Windungszahl, ist das Verhältnis zwischen Leit- und Sperrphase (Pulsbreitenverhältnis) auf maximal 50% beschränkt.

Die Entmagnetisierungswicklung N2 sowie D1 sind für die Funktion nicht zwingend erforderlich, sie erhöhen jedoch den Wirkungsgrad und verringern die Spannungsbelastung von dem Schalttransistor T1. Alternativ zu einer solchen Wicklung kann die Magnetisierungsenergie des Transformators gefahrlos auch über eine Fangschaltung aus Diode, Widerstand und Kondensator oder im Grenzfall nur mit dem Avalanche-Durchbruch des MOSFET thermisch abgebaut werden.

Gegentaktflusswandler wie der Halb- und Vollbrückendurchflusswandler benötigen keine eigene Entmagnetisierungwicklung, ihr Pulsbreitenverhältnis ist jedoch generell auf 50% beschränkt.

Die Ausgangsspannung ist belastungsabhängig und muss über eine, im Bild nicht gezeigte, Rückkopplung geregelt werden.

Literatur

• Otmar Kilgenstein: Schaltnetzteile in der Praxis. 3. Auflage. Vogel Fachverlag, 1992, ISBN 3-8023-1436-0.
• Heinrich Hübscher: Elektrotechnik Fachbildung Kommunikationselektronik 2: Informationstechnik, Büroinformationselektronik.. Westermann, Braunschweig 1992, ISBN 3-14-221430-5.

Weblinks

• Jörg Rehrmann, Das neue InterNetzteil- und Konverter-Handbuch
• Eintakt - Durchflußwandler

 Commons: Forward converters – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien