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Getaktetes Netzgerät Die Erfindung betrifft ein getaktetes Netzgerät
mit einer energiespeichernden Induktivität mit einem Kern, der einen Luftspalt aufweist.
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Getaktete Netzgeräte enthalten im allgemeinen eine energiespeichernde
Induktivität, die eine Drossel oder- ein Transformator sein kann. Bei Durchflußwandlern
ist eine Drossel vorgesehen, die während der Einschaltzeit des getakteten Schalters
Energie speichert und während der Ausschaltzeit den Strom über eine Freilaufdiode
weiterfließen läßt und damit die gespeicherte Energie wieder abgibt. Bei Gegentaktwandlern
wird durch Aufnahme und Abgabe von Energie der Ausgangsstrom geglättet.
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Sperrwandler weisen ebenfalls eine Drossel auf, die während der Einschaltzeit
des getakteten Schalters magnetische Energie aufnimmt und diese während der Ausschaltzeit
des getakteten Schalters u.U. mit wesentlich höherer Spannung an den Lastkreis abgibt.
Bei Sperr-
wandlern mit galvanischer Trennung ist diese Drossel
als Transformator ausgebildet und übernimmt zusätzlich zur Speicherfunktion auch
die galvanische Trennung und ggf. die Spannungstransformation.
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Wie aus dem Artikel "Transformatoren für Schaltnetzteile" von K. Ruschmeyer
aus der Druckschrift "Vortragsreihe Schalt-Netzteile" von Valvo bekannt ist, weisen
die energiespeichernden Induktivitäten von getakteten Netzgeräten im allgemeinen
einen Kern mit Luftspalt auf, da der Kern sonst wegen des hohen Magnetisierungsstroms
in Sättigung gehen würde und da die Energiespeicherung im Luftspalt wesentlich höher
als im Eisen ist. Mit dem Luftspalt wird Jedoch wegen der dadurch bedingten Erhöhung
des Widerstandes im magnetischen Kreis der Induktivitätswert verringert. Bei verringertem
Induktivitätswert kommt das Netzgerät mit abnehmendem Ausgangsstrom schneller in
den lückenden Betriebsbereich. In diesem Bereich steigt die Ausgangsspannung mit
fallendem Strom stark an. Durch die Nichtlinearität im lückenden Betriebsbereich
kann die Regelung unstabil werden. Um den Bereich des Ausgangsstroms, in dem der
Eingangs strom lückend wird, klein zu halten, kann man den Induktivitätswert größer
machen. Das bedingt Jedoch ein größeres Gewicht, mehr Platzbedarf und höhere Kosten
für die Drossel oder den Transformator. Ferner kann man einen Grundlastwiderstand
vorsehen, der soviel Strom aufnimmt, daß das. Netzgerät stets außerhalb des lückenden
Bereichs betrieben wird.
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Damit werden Jedoch die Verluste größer und damit der Wirkungsgrad
des Netzgerätes kleiner.
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Aufgabe der Erfindung ist es, bei einem Netzgerät der eingangs genannten
Art den Bereich des Ausgangsstroms, in dem der Eingangs strom des Netzgerätes lückend
wird,
ohne Erhöhung der Baugröße der Induktivität zu verkleinem.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß sich die Länge
des Luftspalts über den Querschnitt ändert.
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Damit wird erreicht, daß sich bei kleinem magnetischem Fluß dieser
auf Bereiche des Luftspalts mit geringer Länge konzentriert. Der wirksame Luftspalt
kann daher bei kleinem magnetischem Fluß sehr klein gemacht werden.
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Bei hohem magnetischem Fluß dehnt sich dieser jedoch über den gesamten
Querschnitt des Luftspalts aus. Bei hohem magnetischem Fluß wird damit die wirksame
Länge des Luftspalts größer. Bei kleinen Strömen ist also der Induktivitätswert
relativ hoch und der Bereich des Ausgangsstromes, in dem der Eingangsstrom lückend
wird, ist klein. Bei größeren Ausgangsströmen wird wegen des längeren wirksamen
Luftspalts eine Sättigung des Kerns verhindert und eine große magnetische Energie
gespeichert. Dabei wird zwar der Induktivitätswert kleiner, was jedoch bei hohen
Ausgangsströmen kein Lücken des Eingangsstromes mehr hervorrufen kann.
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Zweckmäßigerweise schließen dabei wenigstens sich gegenüberliegende
Teilflächen der Oberflächen der Kernabschnitte Winkel ein, die größer als null Grad
sind. Der Luftspalt kann dabei unterschiedliche Gestalt haben.
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Es ist z.B. möglich, zwischen den Kernteilen, die den Luftspalt einschließen,
eine Überbrückung mit dem Kernmaterial vorzusehen, wobei die Länge des Luftspaltes
außerhalb dieser Brücke konstant ist. Die Oberflächen der Kernabschnitte können
z.B. aber auch gekrümmt sein.
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Vorteilhaft ist es, wenn die Oberflächen der Kernabschnitte eben sind.
Kerne mit einem Luftspalt dieser Art sind besonders einfach zu fertigen, da lediglich
die sich gegenüberliegenden Oberflächen der Kernhälften schräg angeschliffen bzw.
abgeschnitten werden miissen.
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Durch Veränderung des Winkels und der Luftspaltlange sind auf einfache
Weise verschiedene Kennlinien des Induktivitätswertverlaufs in Abhängigkeit vom
Strom zu erreichen. Mit dieser Ausbildung des Luftspalts ergibt sich ein besonders
linearer Verlauf des Induktivitätswerts in Abhängigkeit vom Strom durch die Induktivität.
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Der Luftspalt kann dabei so ausgebildet sein, daß er sich nur über
einen Teil des Kernquerschnitts erstreckt.
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Da somit ein Eisenweg zwischen den Kernabschnitten verbleibt, ist
der Induktivitätswert bei kleinen Stromstärken besonders hoch.
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Der erfindungsgemäße Gegentaktwandler wird im folgenden beispielhaft
anhand der Figuren 1 bis 12 näher erläutert.
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Die Figuren 1 bis 5 dienen zur Erläuterung der Problemstellung.
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Figur 1 zeigt vereinfacht den Aufbau eines Durchflußwandlers. Dabei
ist die Primärwicklung T1 eines Transformators T über einen Schalter S1 mit einer
Gleichspannungsquelle i verbunden. Die Sekundärwicklung T2 des Transformators T
ist über eine Diode D1 und eine Drossel Dr mit der Last RL verbunden. Parallel zur
Last RL liegt ein Glättungskondensator C sowie ggf.
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ein in Figur 1 gestrichelt eingezeichneter Grundlastwiderstand RG.
Parallel zur Serienschaltung von Sekundärwicklung T2 und Diode D1 liegt eine Freilaufdiode
D2.
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Der Schalter S1 wird periodisch angesteuert. Der
Wicklungssinn
der Sekundirwicklung T2 und die Durchlaßrichtung der Diode D1 sind so gewählt, daß
durch die Sekundirwicklung bei geschlossenem Schalter S1 Strom fließen kann. Der
ter die Drossel fließende Strom iD fließt in den Glättungskondensator C und in die
Last RL, sowie ggf. in den Grundlastwiderstand RG. Dabei ist der Stromanteil, der
in den Grundlastwiderstand RG und in die Last RL fließt, mit iL bezeichnet. Wenn
der Schalter S1 ausschaltet, wird der Strom durch die in der Drossel Dr gespeicherte
magnetische Energie weitergetrieben und fließt dann durch die Freilaufdiode D2.
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Durch den Glättungskondensator C wird die anstehende Spannung geglättet,
so daß der Laststrom iL nur noch eine sehr geringe Welligkeit aufweist.
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Figur 2 zeigt den zeitlichen Verlauf des Stroms iD durch die Drossel
Dr sowie den Strom iL in den Grundlastwiderstand RG und die Last RL in Abhängigkeit
von verschiedenen Parametern. Dabei ist mit iL1 ein Laststrom bei relativ großer
Last RL, also kleinem Lastwiderstand gezeichnet. Der Strom iD1 steigt bei eingeschaltetem
Schalter S1 an und fällt bei ausgeschaltetem Schalter S1 wieder ab. Dabei ist der
Laststrom iLl der Mittelwert des Stroms iD1 durch die Drossel Dr. Mit iD11 ist der
Strom durch die Drossel Dr bezeichnet, der sich ergibt, wenn diese Drossel Dr einen
höheren Induktivitätswert aufweist. Bei größerem Induktivitätswert sind Stromanstieg
und Stromabfall geringer. Mit iD2 ist der Strom durch die Drossel Dr bezeichnet,
der sich bei kleinerem Laststrom iL2, also bei kleiner Belastung am Ausgang ergibt.
Wie Figur 2 zeigt, ist dieser Strom nicht mehr unterbrechungsfrei, d.h. er ist lückend.
Dagegen ist der Strom iD2 durch die Drossel Dr, der sich bei einem höheren Induktivitätswert
der Drossel Dr ergibt, bei diesem geringen Laststrom iL2 noch unterbrechnungsfrei.
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Figur 3 zeigt das Prinzipschaltbild eines Sperrwandlers.
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Dabei ist die Primärwicklung T1 eines Transformators T über einen
Schalter S1 mit einer Gleichspannungsquelle UG verbunden. Die Sekundärwicklung T2
des Transformators T ist über eine Diode D1 mit der Last RL verbunden. Parallel
zu dieser Last liegt ein Glättungskondensator C. Der Schalter S1 wird periodisch
ein- und ausgeschaltet. Dabei ist der Wicklungssinn der Sekundärwicklung T2 und
die Durchlaßrichtung der Diode D1 so gewählt, daß bei eingeschaltetem Schalter S1
kein Strom durch die Sekundärwicklung T2 fließen kann. Bei Einschalten des Schalters
S1 wird also der gesamte Strom zur Magnetisierung des Transformators aufgewendet.
Sobald der Schalter S1 ausschaltet, wechselt die Spannung an der Sekundärwicklung
T2 die Richtung, so daß nun ein Strom fließen kann, der den Transformatorkern wieder
entmagnetisiert. Im Transformatorkern wird also in der Zeit, in der der Schalter
S1 geschlossen ist, magnetische Energie gespeichert, die während der Öffnungszeit
des Schalters S1 an die Last abgegeben wird.
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Figur 4 zeigt den Verlauf des Stroms durch den Schalter S1, des Stroms
iD durch die Diode D1 und des Stroms iL durch die Last RL in Abhängigkeit von verschiedenen
Parametern.
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Mit iD1 ist der Strom durch die Diode D1 bezeichnet, der sich bei
relativ großer Last RL, also kleinem Lastwiderstand und hohem Laststrom iL1 ergibt.
iS1 ist der sich dabei ergebende Strom durch den Schalter S1. Wie Figur 4 zeigt,
steigt der Strom iS1 beim Einschalten des Schalters S2 an. Sobald der Schalter S1
ausgeschaltet wird, wird dieser Strom unterbrochen, stattdessen fließt in der Sekundärwicklung
der Strom iD1, der beim Ausschalten des Schalters S1 seinen Maximalwert
hat
und dann abnint. Mit iS1' und iD1' sind die entsprechenden Ströme bezeichnet, die
sich bei demselben Laststrom iL1, aber höherem Induktivitätswert der Primärwicklung
T1 und Sekundärwicklung T2 des Transformators T ergeben. Bei höherem Induktivitätswert
steigt der Strom iS1 langsamer an und der Strom iD1 fällt langsamer ab, so daß sich
insgesamt eine geringere Schwankung ergibt.
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Mit i52, iD2 bzw. i52und iD2',sind die entsprechenden Stroiverläufe
bezeichnet, die sich bei kleinerem Laststrom iL2 ergeben. Wie bein Durchflußwandler
tritt bei dies ei kleineren Laststrom iL2 bei kleinem Induktivitätswert der Wicklungen
T1 und T2 des Transformators T ein Lücken des Stromverlaufs auf. Dagegen sind bei
größerem Induktivitätawert die Ströme nicht lücken.
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Wie die vorangehenden Betrachtungen zeigen, tritt sowohl beim Durchflußwandler
als auch beim Sperrwandler bei kleinen Last strömen und kleinem Induktivitätsvert
der Glättungsdrossel bzw. der Transformatorwicklungen, also der speichernden Induktivitäten,ein
Lücken des Stromes durch die Induktivitäten auf. Dieses Verhalten, das hier beispielhaft
anhand eines Durchflußwandlers und eines Sperrwandlers dargestellt wurde, tritt
in analoger Weise auch bei allen anderen Varianten eines getakteten Netzgerätes
auf,z.B. bei Gegentaktwandlern, Tiefsetzstellern, Hoch-Tiefsetzstellern und Hochsetzatellern.
Solange ein getaktetes Netzgerät im nichtlückenden Bereich arbeitet, steigt ohne
Regelung die Ausgangsspannung mit abnehmendem Ausgangs strom linear an, wobei die
Steigung relativ gering ist. Sobald Jedoch das getaktete Netzgerät in den lückenden
Betriebsbereich kost, also bei relativ kleinem Ausgangsstrom, steigt die Ausgangs
spannung mit abnehmendem Ausgangsstrom sehr steil und nicht linear an, da die Dioden
D1,
D2 eine Stromumkehr durch die Induktivitäton verhindern. Figur 5 zeigt die Abhängigkeit
der Ausgange spannung UA vom Ausgangs strom iL für Durchrlußwandler und Sperrwandler,
wobei als Parameter für die verschiedenen Kurven das Verhältnis der Einschaltzeit
des getakteten Schalters zur Periodendauer Y angegeben ist. Der nichtlückende Bereich
ist dabei mit I, der lückende Bereich mit II gekennzeichnet, wobei die Grenze zwischen
diesen Bereichen gestrichelt eingezeichnet ist. Durch die Nichtlinearität im lückenden
Bereich besteht die Gefahr, daß die Regelung unstabil wird. Es muß daher versucht
werden, den lückenden Bereich zu beseitigen bzw. sehr klein zu halten. Wie bereits
erläutert, hängt die Grenze des Ausgangsstromes, bei dem der Strom durch die Drossel
Dr bzw. den Transformator T lückend wird, vom Induktivitätswert dieser Elemente
ab. Man muß also diese Induktivitätswerte so groß wie möglich machen. Dabei könnte
man in Erwagung ziehen, den Luftspalt im Kern dieser Induktivitätselemente sehr
klein zu machen, bzw. ganz wegzulassen. Damit wurde aber die Drossel des Durchflußwandlers
bzw. der Transformator des Sperrwandlers in Sättigung gehen, und es werte nur eine
verringerte Energiespeicherung möglich, wenn man nicht sehr große Elemente wählt.
Andererseits will man große Drosseln bzw. Transformatoren aus Kosten-, Gewichts-und
Raumgründen vermeiden. Eine weitere Möglichkeit zur Verhinderung des lückenden Betriebs
ist es, im Netzgerät einen Grundlastwiderstand RG vorzusehen, der so viel Strom
aufnimmt, daß der lückende Bereich nicht erreicht wird. Bei relativ kleinen Induktivitätswerten
müßte aber dieser Grundlastwiderstand RG einen hohen Strom aufnehmen, so daß erhebliche
Verluste in Kauf genonen werden müßten.
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Die erfindungsgemäße Lösung geht nun von dem Gedanen aus, daß es ausreicht,
wenn die Drossel Dr des Durchflußwandlers bzw. der Transformator T des Sperrwandlers
bei kleinen Strömen einen hohen lnduktivitätswert aufweist, während bei großen Strömen
der Induktivitätswert kleiner werden kann. Das wird erreicht, indem man für den
Transformator T bzw. die Drossel Dr einen Kern mit einem Luftspalt Sp wählt, dessen
Länge sich über den Querschnitt ändert. Besonders vorteilhafte Ausführungsformen
sind in den Figuren 6 bis 11 dargestellt. Dabei zeigen die Figuren 6 bis 8 Ringkerne,
die Figuren 9 bis 11 E-Kerne. Der mit der angegebenen Ausgestaltung des Luftspaltes
Sp erzielte Effekt wird im folgenden anhand von Figur 6 erläutert. Solange der magnetische
Fluß im Kern klein ist, also bei kleinen Strömen in der Wicklung, konzentriert sich
der gesamte magnetische Fluß auf den Bereich A des Luftspaltes Sp, in dem die Länge
des Luftspaltes Sp sehr klein bzw, null ist. Bei kleinen Strömen ist somit kein
Luftspalt Sp wirksam, der Induktivitätswert ist daher groß.
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Bei größerem magnetischem Fluß, also bei höheren Strömen, geht der
Bereich A in Sättigung und der magnetische Fluß dehnt sich zunehmend auf den gesatten
Luftspalt Sp aus. Damit wird bei größeren Strömen die resultierende Luftspaltlän
größer, so daß eine Sättigung des Kerns vermieden wird. Mit zunehmendem Strom tritt
zwar eine Abnahme des Induktivitätswerts auf, was aber aus den erörterten Gründen
bei getakteten Netzgeräten ohne weiteres in Kauf genormen werden kann. Je nach dem
gewünschten Induktivitätswertverlauf kann man den Winkel cG unterschiedlich wählen.
Wenn im Bereich kleiner Ströme der Induktivitätswert besonders hoch sein soll, kann
man den Luftspalt Sp so ausgestalten, daß er sich nicht über den gesamten Kernquerschnitt
erstreckt. Dieser Fall ist in Figur 7 gezeigt. Durch die Breite b des
Kernbereiches
A kann man den Induktivitätswertverlauf bei kleinen Strömen festlegen. Wenn bereits
bei kleineren Strömen ein relativ großer Luftspalt Sp wirksam sein soll, kann man
einen Luftspalt vorsehen, dessen minimale Länge 1 ist, wie Figur 8 zeigt. Auch hierbei
ist mit der Größe 1 der Induktivitätswert bei kleinen Strömen beeinflußbar.
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Die Figuren 9 bis 11 zeigen entsprechende Luftspalt formen für E-Kerne.
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Die hier gezeigten Luftspaltformen stellen selbstverständlich nur
Beispiele dar, es kann praktisch Jede Luftspaltform verwendet werden, bei der die
Länge des Luftspalts über den Querschnitt nicht konstant ist.
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Die in den Ausführungsbeispielen gezeigte V-Form ist Jedoch besonders
einfach herzustellen, da lediglich die Kernteile schräg abgeschnitten oderangeschliffen
werden müssen. Dabei kann man durch Winkel und Tiefe des Anschliffs den Verlauf
des Induktivitätswerts in Abhängigkeit vom Strom auf vielfältige Weise verändern.
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Ferner ergibt sich mit der in den Ausführungsbeispielen gezeigten
V-Form ein annähernd linearer Verlauf des lnduktivitätswerts in Abhängigkeit vom
Strom. Daher tritt keine sprunghafte Änderung in der Zeitkonstante des Regelkreises
auf. Sprunghafte änderungen der Zeitkonstante des Regelkreises könnten aber die.
Stabilität beeinträchtigen.
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Figur 12 zeigt die Abhängigkeit des Induktivitätswerts L vom Strom
I durch die Induktivität. Dabei gilt die Kurve a für die Ausführungsformen nach
den Figuren 6 und 9, die Kurve b für die Ausführungsformen nach den Figuren 7 und
10 und die Kurve c für die AusfUhrungsformen nach den Figuren 8 und 11.
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Mit der beschriebenen Ausgestaltung des Luft spaltes Sp im Kern der
Drossel bzw. des Transformators gelingt es also, den Strombereich, in dem lückender
Betrieb auftritt, zu sehr kleinen Strömen zu verschieben. Um den lückenden Bereich
völlig zu beseitigen, genügt es dann, einen Grundlastwiderstand mit relativ hohem
Widerstandswert vorzusehen, der entsprechend auch nur kleine Verluste aufweist.