Flyback Converter

Der Sperrwandler (engl. Flyback Converter), eine häufig anzutreffende Bauform von Gleichspannungswandlern, dient zur Übertragung elektrischer Energie zwischen zwei Gleichspannungskreisen, die verschiedene Spannungen aufweisen und voneinander galvanisch getrennt sein können. Bei galvanischer Trennung wird der Sperrwandler auf englisch Flyback Converter genannt.

Sperrwandler finden sich in sehr unterschiedlichen Anwendungen — primärgetaktete Schaltnetzteile kleiner Leistung (kleiner 250 W, auch als separate Standby-Versorgung in größeren Netzteilen), Spannungswandler in elektronischen Geräten, Hochspannungserzeugung in Blitzgeräten und für TV-Bildröhren, aber auch die Erzeugung des Zündfunkens in Automobilen sind Beispiele dafür.

Der Sperrwandler, der zur Energieumformung von Gleichspannung auf eine andere Spannung oder in einen Gleichstrom dient, sollte unterschieden werden vom Sperrschwinger, der eine Oszillatorschaltung darstellt.

Einsatz in Stromversorgungen

Funktionsweise

a) Leitphase
b) Sperrphase
c) Sperrwandler mit Transistor Q und Wandlertrafo T

Spannungen und Ströme beim Sperrwandler

Das Prinzip des Sperrwandlers ist, dass eine kleine Menge Energie im Magnetfeld einer Spule – in der so genannten Speicher-Drossel – gespeichert wird (1. Phase, „Laden“ der Spule) und diese danach auf der Verbraucherseite bezogen wird (2. Phase, „Entladen“ der Spule). Dieser Zyklus wird einige Tausend Mal pro Sekunde durchlaufen, so dass ein quasi kontinuierlicher Energiefluss von der Erzeuger- zur Verbraucherseite entsteht.

Die 1. Phase ist die Leitphase mit geschlossenem, die 2. Phase die Sperrphase mit geöffnetem Schalter S.

Während der Leitphase (Abb. 1a) sperrt die Diode D (Plus an Kathode), und es fließt ein Strom I_L durch die Spule L. Dadurch baut sich ein Magnetfeld auf. In dieser Phase gibt es keine Energieübertragung, daher muss der Verbraucher R_Last aus dem Kondensator C mit Strom versorgt werden.

Öffnet sich der Schalter S, so beginnt die Sperrphase (Abb. 1b). Der Strom I_L in der Spule kann sich wegen ihrer Induktivität aber nicht schlagartig ändern und fließt nun durch die Diode D, wobei sich eine negative Spannung über der Spule bildet. Dadurch wirkt die Spule jetzt wie eine Stromquelle, lädt den Kondensator neu auf und versorgt gleichzeitig den Verbraucher mit Strom. Der Strom I_L fließt von der Spule in den Kondensator C und in den Verbraucher (I_a) und über die Diode D zurück in die Spule, wobei er dabei linear abnimmt und schließlich Null wird, wenn alle Energie aus der Spule abgeflossen, die Spule also "entladen" ist.

Danach schließt der Schalter wieder, die Leitphase beginnt wieder, und der Zyklus beginnt von vorn. Der eigentliche Energietransport findet also während der Sperrphase statt, weshalb diese Schaltung als Sperrwandler bezeichnet wird.

In der Praxis wird als Schalter ein Transistor, oft ein MOSFET eingesetzt (Abb. 1c), der mit einer Rechteckspannung angesteuert wird, wobei Frequenzen von 16 kHz (knapp über dem Hörbereich zur Vermeidung von Störgeräuschen) bis über 500 kHz gewählt werden – höhere Frequenzen erlauben die Verwendung kleinerer Spulen, bedingen aber höhere Verluste im Schaltelement und der Diode.

Der Speichertransformator

Verwendet man statt einer einfachen Spule eine mit zwei oder mehreren Wicklungen, dann

1. sind größere Spannungsübersetzungen erreichbar;
2. sind mehrere Ausgangsspannungen möglich;
3. kann galvanische Trennung zwischen Primärbereich und Sekundärbereich erreicht werden.

Solche Spulen ähneln Transformatoren; sie unterscheiden sich von jenen jedoch dadurch, dass die gesamte übertragene Energie zwischenzeitlich in deren Magnetfeld zwischengespeichert wird. Bei gewöhnlichen Transformatoren wird wegen der gleichzeitigen Leistungsaufnahme und -abgabe nur wenig magnetische Energie im Kern gespeichert. Der Magnetkern weist bei herkömmlichen Transformatoren keinen Luftspalt auf, wohingegen die Kerne bei Sperrwandlern immer einen Luftspalt aufweisen, in dem ein wesentlicher Teil der magnetischen Feldenergie gespeichert wird.

Bei Schaltnetzteilen nach dem Sperrwandler-Prinzip ist der Transformator dank der hohen Arbeitsfrequenz dennoch viel kleiner und leichter als ein 50-Hz-Transformator. Er ist jedoch größer als bei anderen Schaltnetzteil-Topologien; dafür ist für Sperrwandler keine Speicherdrossel erforderlich.

Besonderheiten

Die Ausgangsspannung von Sperrwandlern richtet sich nach der Last, sie ist prinzipiell unbegrenzt, d. h. sie steigt beim unbelasteten ungeregelten Sperrwandler so weit an, bis die Gleichrichterdiode, der Schalttransistor oder die Last zerstört werden.

In den meisten Fällen ist daher eine Regelung des Sperrwandlers notwendig. Ein ungeregelter Sperrwandler überträgt bei konstanter Spannung immer die gleiche Leistung, nämlich die Speicherenergie der Spule multipliziert mit der Arbeitsfrequenz (Anzahl Leit-/Sperrphasen pro Sekunde). Falls der Sperrwandler mehr Energie überträgt als der Verbraucher gerade benötigt, steigt die Spannung am Verbraucher. In einfachen Fällen kann parallel zum Verbraucher eine Zener-Diode geschaltet werden, welche die überschüssige Leistung in Wärme verwandelt. Manche Verbraucher (LED, Akkumulatoren) bieten selbst eine Spannungsbegrenzung.

Für die Regelung wird oft eine Messwicklung auf der Drossel bzw. dem Speichertransformator angebracht, die zugleich die Hilfsspannungsversorgung übernimmt; man vergleicht die Spannung aus dieser Wicklung mit einem Referenzwert. Das Ergebnis wird dann einer Steuer-Elektronik zugeführt, die das Tastverhältnis der Schaltfrequenz nachregelt. Wegen der relativ großen Streuung zwischen den Wicklungen ist diese Form der Regelung nicht besonders gut. Sie ist aber einfach und hat aber den Vorteil, dass man mehrere Ausgangswicklungen gleichzeitig beeinflussen kann. Bei besonders guten Regelungen muss man dagegen sekundärseitig die Ausgangsspannung mit einer Referenzspannung vergleichen und die Abweichung über einen Optokoppler auf die Primärseite übertragen, (um falls nötig die galvanische Trennung zu erreichen,) oder aber eine Feinregelung auf jeder Sekundärseite vorsehen.

Ein weiterer Vorteil ist die prinzipielle Kurzschlussfestigkeit des Sperrwandlers.

Hinsichtlich der Auslegung der Regelung und der Speicherinduktivität unterscheidet man lückenden und nichtlückenden Betrieb. Bei kleiner Leistung und kleinem Tastverhältnis (Duty Cycle) des Leistungsschalters tritt lückender Betrieb auf: der Strom im Schalttransistor ist dreieckförmig. Beim nichtlückenden Betrieb ist die Induktivität beim Einschalten des Leistungsschalters noch stromführend; der Strom im Schalter ist trapezförmig (schräg ansteigender Schenkel oben).

Beispiel eines Sperrwandler-Schaltnetzteils

Sperrwandler-Netzteil

Um einen Sperrwandler am Stromnetz zu betreiben, wird die Netzwechselspannung über eine Gleichrichterbrücke gleichgerichtet und mit einem Elektrolytkondensator geglättet. An diesem liegen bei 230 V~ ca. 325 V- (= U_e).

In der nebenstehenden Abbildung ist ein kompletter Schaltplan eines Sperrwandler-Schaltnetzteils abgebildet. Im Teilbild ist das Prinzipschaltbild mit nur einer Ausgangsspannung dargestellt. Die Bauteilbezeichnungen sind im Prinzipschaltbild übernommen worden.

Die mittlere Wicklung des Speicher-Transformators ist die Primärwicklung, L1 dient der Hilfsspannungsversorgung für die Steuerung, L4 dient der Spannungsregelung und der Bestimmung des Zeitpunktes, zu dem das Magnetfeld im Kern Null geworden ist. Die rechte Wicklung ist die Sekundärwicklung und besitzt mehrere Anzapfungen, um verschiedene Ausgangsspannungen zu erzeugen. Diese Wicklung und damit die Ausgangsspannungen sind galvanisch von der Netzspannung getrennt.

Wie bei anderen Schaltnetzteilen auch ist der Wickelsinn der Wicklungen von Bedeutung: in der nebenstehenden Beispielschaltung sind alle Wicklungen bis auf L4 gleichsinnig, das heißt wie dargestellt, gewickelt. Man stellt den Wickelsinn wie im Beispielschaltplan mit Sternchen oder Punkten am Wicklungsanfang dar.

Sicherheitshinweis

Bei elektrischen Messungen an einem primärgetakteten Schaltnetzteil im Betrieb ist der Einsatz eines Trenntransformators zwecks galvanischer Trennung vom Netz sinnvoll.

Vor- und Nachteile

Im folgenden sind die Vor- und Nachteile gegenüber anderen Schaltwandler-Topolgien dargestellt:

Vorteile

• Einfacher Aufbau (bei Sperrwandler-Schaltnetzteilen ist keine zusätzliche Speicherdrossel erforderlich)
• alle Ausgangswicklungen liefern eine über eine Hilfswicklung regelbare Ausgangsspannung gemäß ihrer Windungszahl
• sehr hohe Ausgangsspannung auch bei moderatem Übersetzungsverhältnis möglich
• Der Sperrwandler überträgt seine Energie auf die Sekundärseite erst, wenn der Leistungschalter auf der Primärseite öffnet. Dioden auf der Sekundärseite sperren beim Schließen des Leistungsschalters. Daher sind Sperrwandler prinzipiell kurzschlussfest.

Nachteile

• Hohe Spannungsbelastung am Leistungsschalter
• größere Probleme mit EMV
• Hohe magnetische Feldstärken (Energiespeicherung) im Kern erfordern einen Luftspalt oder einen Pulverkern.
• größerer Kern aufgrund magnetischer Energiespeicherung

Siehe auch

• Durchflusswandler
• Transformator_(Wirkungsweise_und_Physik)

Weblinks

• Vorlesung "Schaltnetzteile", Prof. Dr.-Ing. Heinz Schmidt-Walter