Flusswandler

Der Durchflusswandler (engl. forward converter), ist eine Ausführungsform eines Schaltnetzteils, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Energieübertragung ausschließlich in der Leitphase des schaltenden Bauelementes stattfindet.

Im Unterschied zu Sperrwandlern, die hauptsächlich für den Kleinleistungsbereich gedacht sind, werden Durchflusswandler bei Leistungen ab etwa 100 Watt aufwärts eingesetzt.

Funktion

Schaltbild eines Eintakt-Durchflusswandlers mit Entmagnetisierungswicklung

Die Funktion wird anhand der grundsätzlichen Schaltung eines Eintakt-Durchflusswandlers mit zusätzlicher Entmagnetisierungswicklung beschrieben:

Leitphase

Bei leitendem Transistor T1 fließt ein Strom durch die Primärwicklung N1 des Transformators und ein mit dem Windungszahl-Verhältnis N1/N3 übersetzter Strom durch die ausgangsseitige Diode D2 und die Speicherdrossel L. Der Strom steigt, da sich in der Speicherdrossel ein Magnetfeld aufbaut. Der Kondensator C2 wird aufgeladen. Die Dioden D1 und D3 sperren während dieser Zeit.

Sperrphase

Öffnet der Schalttransistor T1, so sinkt das Magnetfeld in der Speicherdrossel, die Polarität der Spannung an dieser wechselt folglich. Der Spulenstrom I_L fließt nun über die Freilauf-Diode D3 weiter und der Kondensator wird aus der in L gespeicherten Energie weiter geladen. C2 und L wirken somit als Filter und glätten den Stromfluss. Der Kondensator C2 dient als Energeireservoir am Ausgang, während der Schalttransistor T1 sperrt, also den Energiefluss unterbricht. Die Kapazität von C2 hat dadurch Einfluss auf die Restwelligkeit der Ausgangsspannung. Eine große Kapazität bewirkt eine geringe Schwankung der Ausgangsspannung.

Besonderheiten

Die Wicklung N2 dient der Entmagnetisierung des Trafo-Kerns in der Sperrphase und führt die im Trafo unvermeidlich gespeicherte Magnetfeld-Energie über 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 (duty cycle) 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 T1. Alternativ zu einer solchen Wicklung kann die Magnetisierungsenergie des Transformators gefahrlos auch über eine Fangschaltung aus Diode, Widerstand und Kondensator oder gar nur mit dem Avalanche-Durchbruch des MOSFET abgebaut werden.

Halb- und Vollbrücken-Durchflusswandler benötigen meist keine extra Bauteile zur Entmagnetisierung, ihr duty cycle ist jedoch generell auf 50% beschränkt.

Im Unterschied zum Sperrwandler wird beim Durchflusswandler die übertragene Energie nicht in der Induktivität des Transformators zwischengespeichert. Die Energie wird vom Transformator ausschließlich während der Leitphase übertragen, daher der Name Durchflusswandler (siehe Wirkungsweise und Physik des Transformators#Durchflusswandler). Die im Transformator-Kern unvermeidlich aufgebaute Magnetfeldenergie wird zurückgespeist oder nicht genutzt (sie wird dann zu Wärme). Daher muss die Magnetisierungsenergie eines Duchrflusswandler-Transformators möglichst gering sein. Das erreicht man mit Kernmaterial hoher Permeabilitätszahl und durch Vermeiden eines Luftspaltes (plangeschliffene, mit Klammern zusammengepresste Kernhälften). Die Magnetisierungsenergie kann bei gegebener Arbeitsfrequenz auch durch eine höhere Windungszahl verringert werden, das möchte man jedoch im Interesse geringer Kupferverluste vermeiden.

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

Weitere Ausführungsformen

• Gegentakt-Durchflusswandler
• Asymmetrischer Halbbrücken-Durchflusswandler
• Halbbrücken-Durchflusswandler
• Vollbrücken-Durchflusswandler

Eintakt-Durchflusswandler ohne galvanische Trennung werden oft als Tiefsetzsteller ausgeführt.

Siehe auch

Transformator_(Wirkungsweise_und_Physik)

Literatur

• Heinrich Hübscher: Elektrotechnik Fachbildung Kommunikationselektronik 2: Informationstechnik, Büroinformationselektronik. Westermann, Braunschweig 1992. ISBN 3-14-221430-5