Sperrwandler

Ein Sperrwandler ist ein elektrisches Gerät, das in der Lage ist, eine DC-Ausgangsspannung zu erzeugen, die entweder größer oder kleiner als der DC-Eingang sein kann. Wenn ein Abwärtswandler, der die Spannung heruntersetzt, mit einem Aufwärtswandler kaskadiert wird, der die Spannung erhöht, entsteht ein Abwärts-Aufwärtswandler. Wie der Name schon sagt, kann der Buck-Boost-Wandler seine Eingangsspannung entweder herunter- oder hochstufen und ist die Basis des Flyback-Wandlers. Der Sperrwandler unterscheidet sich von einem Buck-Boost-Wandler dadurch, dass er eine gekoppelte Induktivität oder einen Sperrtransformator zur galvanischen Trennung zwischen Ausgang und Eingang verwendet. In diesem Video wird der Aufbau eines Flyback-Konverters veranschaulicht und untersucht, wie sich die Änderung des Betriebszustands des Konverters auf seine Leistung auswirkt.

Um zu verstehen, wie ein Flyback-Wandler funktioniert, beginnen Sie mit einem Abwärtswandler in Reihe mit einem Aufwärtswandler. Die Schalter in dieser Schaltung werden durch ein pulsweitenmoduliertes Signal ein- und ausgeschaltet. Die Last am Ausgang des Abwärtswandlers ist eine Stromsenke, die wiederum der Eingang des Aufwärtswandlers ist. In dieser Schaltung muss der Aufwärtswandler invertiert werden, so dass die Richtung des Stroms durch die Stromsenke mit dem Betrieb jeder Stufe übereinstimmt. Dadurch hat der kaskadierte Wandler eine Ausgangspolarität, die im Vergleich zu seinem Eingang umgekehrt ist. Die Schaltung kann auf diese Buck-Boost-Wandler-Konfiguration vereinfacht werden. Wenn der Schalter geschlossen ist, leitet die Spannungsquelle Strom durch die Induktivität. Dieser Strom steigt linear mit der Zeit an und erzeugt ein Magnetfeld, das Energie in der Induktivität speichert. Zu diesem Zeitpunkt ist die Diode verpolt vorgespannt und leitet nicht, so dass nur der Kondensator die Last mit Energie versorgt. Wenn der Schalter geöffnet ist, muss der Strom durch die Induktivität in die gleiche Richtung fortgesetzt werden, wodurch die Induktivität umgepolt wird. Nun wird die Diode in Vorwärtsrichtung vorgespannt und die Induktivität kann Energie an die Last abgeben und gleichzeitig den Kondensator aufladen. Wenn der Schalter wieder schließt, wiederholt sich der Zyklus. Der Austausch der Induktivität durch eine gekoppelte Induktivität oder einen Sperrtransformator sorgt für eine galvanische Trennung zwischen Eingang und Ausgang, die erforderlich ist, wenn die Erdung auf der Quellen- und der Lastseite getrennt werden muss. Wenn Sie den Schalter von der hohen Seite der Spannungsquelle auf die niedrige Seite bewegen, werden die elektrischen Anforderungen an den Schalter und den Stromkreis, der ihn antreibt, vereinfacht. Durch die Umkehrung der Polarität der gekoppelten Induktivität oder des Sperrtransformators und die Umkehrung der Richtung der Diode kann die Polarität des Ausgangs mit dem Eingang übereinstimmen. Das Ergebnis ist der grundlegende Flyback-Konverter. Nachdem wir nun gesehen haben, wie der Flyback-Wandler aus der Kaskade eines Abwärts- und Aufwärtswandlers abgeleitet werden kann, untersuchen wir, wie sich sein Verhalten unter verschiedenen Betriebsbedingungen ändert.

Der Ausgang in diesem Experiment ist auf 50 Volt DC oder weniger begrenzt. Verwenden Sie nur die angegebenen Tastverhältnisse, Frequenzen, Eingangsspannungen und Lasten. Bei diesen Experimenten wird die Power Pole-Platine des High Rel-Systems verwendet. Stecken Sie bei ausgeschaltetem Schalter S90 die Signalversorgung in den Steckverbinder J90. Stellen Sie den Impuls mit den Modulationswahl-Jumpern J62 und J63 auf die Open-Loop-Position. Stellen Sie die Gleichstromversorgung auf 16 Volt ein, schließen Sie den Ausgang jedoch nicht an die Strommastplatine an. Erstellen Sie als Nächstes die Flyback-Wandlerschaltung mit dem unteren MOSFET und der Flyback-Magnetplatine. Stellen Sie den Lastwiderstand auf 10 Ohm ein. Verbinden Sie es dann mit dem Platinenpotentiometer zwischen den Klemmen V2+ und com. Stellen Sie die Schalthebel-Wahlbank S30 wie folgt auf PWM auf den unteren MOSFET ein, verwenden Sie Onboard-PWM und schalten Sie die Last aus. Verbinden Sie den Differenztastkopf des Oszilloskops zwischen dem Gate und der Quelle des unteren MOSFET. Schalten Sie den Schalter S90 ein und beobachten Sie das Schaltsignal, das den MOSFET ein- und ausschaltet. Stellen Sie den RV60 so ein, dass er eine Schaltfrequenz von 100 Kilohertz erzeugt. Stellen Sie das Tastverhältnis des Potentiometers RV64 so ein, dass die Impulse eine Einschaltzeit von fünf Mikrosekunden haben.

Schließen Sie zunächst einen regulären Probe zwischen dem Gate und der Quelle des unteren MOSFET an. Schließen Sie die Differenzsonde über die Last an und verbinden Sie die DC-Eingangsversorgung mit V1+ und com. Die Ausgangsspannung ist eine Dreieckswelle, die sich daraus ergibt, dass die Induktivität und der Kondensator abwechselnd Strom an die Last liefern. Die Gate-Source-Spannung des MOSFET ist eine digitale Impulsfolge. Messen Sie den Mittelwert der Ausgangsspannung und die Einschaltzeit des Gates bis zur Quellspannung und zeichnen Sie dann den Eingangsstrom und die Spannungsmesswerte auf. Wiederholen Sie diesen Test mit den Impulsströmen, die auf eine Einschaltzeit von einer 2,5 bzw. vier Mikrosekunden eingestellt sind, was einem Tastverhältnis von 0,1, 0,25 bzw. 0,4 entspricht. Wenn der Schalter geschlossen ist, wird Energie in der Induktivität gespeichert, wenn der Schalter geöffnet ist, wird die Energie in der Last abgeführt. Im Idealfall steigt die Leistung mit dem Tastverhältnis, jedoch ist bei einem Tastverhältnis über 0,5 die gespeicherte Energie größer als die dissipierte Energie, was zu einer möglichen Sättigung des Kerns führt. Um eine Speicherung von Restenergie zu vermeiden, werden Flyback-Umrichter nicht über einem Tastverhältnis von 0,5 betrieben.

Schließen Sie einen normalen Oszilloskop-Tastkopf an Kanal drei des Oszilloskops an. Klemmen Sie diese Sonde zwischen CS1 und com, um den Eingangsstrom zu messen. Beobachten Sie das Umschaltsignal von Gate zu Quelle, während Sie das Potentiometer RV60 so einstellen, dass eine Frequenz von 70 Kilohertz erzeugt wird. Schließen Sie das DC-Netzteil an die Eingangsklemmen V1+ und com an. Beobachten Sie die Wellenform des Eingangsstroms und messen Sie die mittlere Eingangs- und Ausgangsspannung. Erfassen Sie die Frequenz und das Tastverhältnis sowie die Eingangsstrom- und Spannungsmesswerte aus der Gleichstromversorgung. Wiederholen Sie diesen Test, nachdem Sie den RV60 auf eine Schaltfrequenz von 50, 30 und 10 Kilohertz eingestellt haben, wobei das Tastverhältnis auf 0,5 festgelegt ist. Mit abnehmender Frequenz nimmt die Ausgangswelligkeit zu, da sich auch die Lade- und Entladezeiten des Kondensators erhöhen.

Flyback-Wandler werden typischerweise in isolierten Netzteilen eingesetzt, bei denen der Ausgang vom Eingang galvanisch getrennt werden muss. Vermeidung von Stromkreisschäden im Fehlerfall und Schutz des Benutzers vor gefährlichen Spannungen. Ladegeräte für Mobiltelefone wandeln die 120-Volt-Wechselstrom-Hauptversorgung in eine interne Gleichspannung um, die zum Eingang eines Flyback-Wandlers wird. Der Flyback-Wandler wiederum erzeugt einen Fünf-Volt-Ausgang an den Standard-USB-Anschluss, der an ein Mobiltelefon angeschlossen und aufgeladen wird. Die galvanische Trennung im Flyback-Konverter schützt sowohl das Mobiltelefon als auch den Benutzer vor dem Kontakt mit der 120 AC-Versorgung. Im Gegensatz dazu verwendet das Mobiltelefon wahrscheinlich einen Abwärtswandler, um fünf Volt vom Ladegerät auf nominale 3,6 Volt für seinen Lithium-Ionen-Akku zu reduzieren. Für diese sicheren Niederspannungen ist keine Isolierung notwendig. Die Kathodenstrahlröhre in einem älteren Fernseher oder Computermonitor verwendet einen Elektronenstrahl, um Leuchtstoffe auf dem Bildschirm zu beleuchten. Der horizontale Ablenkantrieb von CRTs enthält häufig Flyback-Wandler, die im Step-up-Modus arbeiten. Der Flyback-Konverter erzeugt die Hochspannung, die diesen Strahl steuert, und bewegt ihn, um ausgewählte Punkte auf dem Bildschirm zu treffen.

Sie haben gerade die Einführung von JoVE in Flyback-Konverter gesehen. Sie sollten nun verstehen, wie der Flyback-Wandler mit Aufwärts- und Abwärtswandlern zusammenhängt und wie sein Verhalten je nach Betriebsbedingungen variiert. Danke fürs Zuschauen.