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    Grundlagen Schaltnetzteile Teil 2

    Grundlagen Schaltnetzteil (2)

    Alex @ AEQ-WEB

    Nachdem die Primärseite bereits Bauteil für Bauteil abgearbeitet wurde, folgt nun der Artikel über die Sekundärseite. Der vollständige Schaltplan für dieses Projekt kann vom Artikel über die Primärseite heruntergeladen werden.

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    Prinzip des Sperrwandlers

    Viele kleine Schaltnetzteile (bis etwa 250 Watt) arbeiten nach dem Sperrwandler-Prinzip. Wie bereits in Teil 1 erwähnt wurde, besteht der Übertrager (Transformator) meistens aus mindestens drei Wicklungen. Die Primärwicklung (L1_P) wird von einem Leistungsschalter (Q1) sehr schnell geschaltet, wodurch ein Magnetfeld entsteht. Da die Sekundärwicklungen (L1_S, L1_A) magnetisch mit der Primärwicklung gekoppelt sind, wird auch in diesen Wicklungen eine Spannung erzeugt. Die Polaritäten zwischen der Primärwicklung und den Sekundärwicklungen sind jedoch entgegengesetzt. Schaltet der Leistungsschalter die Primärspule ein, entsteht zwar in den Sekundärwicklungen bereits eine Spannung, allerdings mit verkehrter Polarität. Die Dioden an den Sekundärwicklungen sperren, sodass kein Stromfluss über die Didoen möglich ist (Minuspol liegt an der Anode). Schaltet der Leistungsschalter die Primärwicklung ab, ändert sich aufgrund der Lenzschen Regel die Polarität vom Magnetfeld. Die Dioden an den Sekundärwicklungen ermöglichen jetzt einen Stromfluss (Pluspol liegt an der Anode). Die eigentliche Energieübertragung auf die Sekundärseite findet also nur während der Sperrphase vom Leistungsschalter statt. Daher auch die Bezeichnung "Sperrwandler".

    8. Gleichrichtung

    Von der Sekundärspule (L1_S) kommt eine Wechselspannung, welche anschließend gleichgerichtet wird. Es handelt sich hierbei um eine Einweg-Gleichrichtung mittels Schottky-Diode. Schottky-Dioden bieten den Vorteil, dass sie sehr schnell geschaltet werden können. Außerdem ist der Spannungsabfall gegenüber den normalen Dioden geringer. Bei der Diode D7 handelt es sich um eine Dual Shottky-Diode, wo beide Dioden parallel geschaltet sind. Die genaue Typen-Bezeichnung von der verbauten Diode im Beispiel-Schaltnetzteil konnte leider nicht ermittelt werden. R29 und C23 bilden wieder ein Snubber-Glied.

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    9. Puffer/Siebung

    Nach der Einweg-Gleichrichtung wird ein großer Puffer benötigt. In dem Moment, wo der Leistungsschalter (Q1) auf der Primärseite gesperrt ist, liegt an der Sekundärwicklung (L1_S) die richtige Polarität vor. Die Diode ist leitfähig und die Elektrolyt-Kondensatoren C19, C20 & C21 werden aufgeladen. Schaltet der Leistungsschalter die Primärwicklung wieder ein, so ändern sich die Polaritäten und die Diode auf der Sekundärseite wechselt in den sperrenden Zustand. Es kommt nun zu einer Unterbrechung der Energieversorgung. Die Kondensatoren wurden zuvor aufgeladen und können für diesen Zeitraum die Energieversorgung aufrecht erhalten. Mit dem nächsten Schaltvorgang von Q1 wiederholt sich dieser Vorgang wieder.

    Das untersuchte Schaltnetzteil arbeitet mit einer Schaltfrequenz von rund 70 Kilohertz. Bei Kondensatoren finden in diesem Fall rund 70.000 Umladevorgänge pro Sekunde statt. Damit die Lade- und Entladevorgänge schnell funktionieren, werden Kondensatoren mit einem niedrigen seriellen Widerstand (ESR) bzw. einem Low-ESR verbaut.

    Die meisten Schaltnetzteile besitzen sekundärseitig mehrere Puffer-Kondensatoren. Anstelle eines großen Kondensators werden mehrere kleinere Kondensatoren parallel geschaltet verbaut. Dies hat den Vorteil, dass unter günstigen Umständen der Ausfall oder ein Anstieg vom ESR-Wert eines einzelnen Kondensators nicht zum Totalausfall des Netzteils führt. Hauptsächlich geht es dabei aber um die schnellen Umladevorgänge. Mehrere Kondensatoren kleinerer Kapazität sind für hohe Schaltfrequenzen besser geeignet als ein einzelner großer Kondensator.

    Der Kondensator C22 gehört nicht zum Puffer, sondern unterbindet mit seinem kapazitiven Blindwiderstand hochfrequente Störspannungen auf der Sekundärseite. Die grüne LED mit ihrem Vorwiderstand R28 zeigt dem Anwender, dass eine Spannung am Lastausgang anliegt und das Netzteil in Betrieb ist.

    10. Einstellung der Ausgangsspannung (Fehlerverstärkerschaltung)

    Über den Optokoppler (IC2) bekommt die Primärseite die Information, ob auf der Sekundärseite die Ausgangsspannung ausreichend hoch ist. Die LED im Optokoppler liegt mit der Anode über den Widerstand R24 direkt am Pluspol. Der Minuspol liegt über den Widerstand R23 an der Kathode von einer Shunt-Reglerdiode (IC3). Diese spezielle Diode vom Typ TL431 wird erst leitfähig, wenn eine Spannung von 2,5 Volt am Referenzeingang anliegt. Der Referenzeingang dieser Diode liegt in der Mitte von einem Spannungsteiler, bestehend aus den Widerständen R26 und R27. Zusätzlich befindet sich in Reihe zu R26 das Potentiometer VR1, mit dem die Referenzspannung eingestellt wird. In der Praxis kann durch diese Lösung die Ausgangsspannung um etwa ein bis zwei Volt verstellt werden.

    Der Widerstand R30 dient als Lastwiderstand. Diese kleine Mindestlast ist notwendig, damit das Netzteil auch im unbelasteten Zustand funktioniert.

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    Über den Autor

    Alex, der Gründer von AEQ-WEB. Seit über 10 Jahren beschäftigt er sich mit Computern und elektronischen Bauteilen aller Art. Neben den Hardware-Projekten entwickelt er auch Webseiten, Apps und Software für Computer.

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